LiFePO4 Προδιαγραφές φόρτισης / εκφόρτισης μπαταρίας, Πλεονεκτήματα που εξηγούνται

Ενώ οι μπαταρίες Li-Ion και Lithium polymer electrolyte (LiPo) έχουν απαράμιλλη ενεργειακή πυκνότητα, οι μπαταρίες με βάση το λίθιο είναι δαπανηρές στην παραγωγή και χρειάζονται σχολαστικό χειρισμό μαζί με μια προσεκτική φόρτιση.

Με την πρόοδο της νανοτεχνολογίας, η διαδικασία κατασκευής του ηλεκτροδίου καθόδου για αυτές τις μπαταρίες έχει σημειώσει σημαντική βελτίωση.

Η ανακάλυψη LiFePO υψηλού φορτίου που βασίζεται στη νανοτεχνολογία₄Τα κύτταρα είναι πιο προηγμένα από τα παραδοσιακά κύτταρα Li-ion ή Lipo.

Ας μάθουμε περισσότερα:

Τι είναι το LiFePO₄Μπαταρία

Η μπαταρία φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LiFePO₄μπαταρία) ή μπαταρία LFP (λιθοφωσφορικό λίθιο), είναι μια μορφή μπαταρία ιόντων λιθίου που απασχολεί το LiFePO₄ως το υλικό της καθόδου (εσωτερικές μπαταρίες αυτή η κάθοδος αποτελεί το θετικό ηλεκτρόδιο), και ένα ηλεκτρόδιο από γραφίτη άνθρακα που έχει ένα μεταλλικό στήριγμα που σχηματίζει την άνοδο.

Η ενεργειακή πυκνότητα του LiFePO₄είναι μικρότερη σε σύγκριση με τη συμβατική χημεία του λιθίου κοβαλτίου (LiCoO 2), καθώς διαθέτει μικρότερη τάση λειτουργίας.

Το πιο κρίσιμο μειονέκτημα του LiFePO₄είναι η μειωμένη ηλεκτρική αγωγιμότητά του. Ως αποτέλεσμα, κάθε ένα από το LiFePO₄οι κάθοδοι που λαμβάνονται υπόψη είναι στην πραγματικότητα LiFePO₄/ Γ.

Λόγω φθηνότερου κόστους, ελάχιστης τοξικότητας, ακριβούς καθορισμένης απόδοσης, εκτεταμένης σταθερότητας κ.λπ. LiFePO₄έχει γίνει δημοφιλής σε αριθμό εφαρμογών που βασίζονται σε οχήματα, σταθερές εφαρμογές κλίμακας χρησιμότητας και επίσης σε εφαρμογές μετατροπέα, μετατροπέα.

Πλεονεκτήματα του LiFePO₄Μπαταρία

Τα νανοφωσφορικά κύτταρα παίρνουν τα πλεονεκτήματα των παραδοσιακών κυττάρων λιθίου και τα συγχωνεύουν με τα πλεονεκτήματα των ενώσεων με βάση το νικέλιο. Όλα αυτά συμβαίνουν χωρίς να αντιμετωπίζουν τα μειονεκτήματα και των δύο πλευρών.

Αυτά τα ιδανικά Μπαταρίες NiCd έχετε πολλά προνόμια όπως:

• Ασφάλεια - Δεν είναι εύφλεκτα, επομένως δεν υπάρχει ανάγκη για κύκλωμα προστασίας.
• Στιβαρή - Οι μπαταρίες έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και μια τυπική μέθοδο φόρτισης.
• Υψηλή ανοχή σε βαριά φορτία και γρήγορη φόρτιση.
• Έχουν σταθερή τάση εκφόρτισης (επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης).
• Υψηλή τάση κυψέλης και χαμηλή αυτοεκφόρτιση
• Ανώτερη ισχύ και συμπαγής ενεργειακή πυκνότητα

Διαφορά μεταξύ LiFePO₄και μπαταρία ιόντων λιθίου

Συμβατικός Κύτταρα ιόντων λιθίου διαθέτουν ελάχιστη τάση 3,6 V και τάση φόρτισης 4,1 V. Υπάρχει διαφορά 0,1 V και στις δύο αυτές τάσεις με διάφορους κατασκευαστές. Αυτή είναι η κύρια διαφορά.

Οι νανοφωσφορικές κυψέλες έχουν ονομαστική τάση 3,3 V και κατασταλμένη φορτισμένη τάση 3,6 V. Η κανονική χωρητικότητα των 2,3 Ah είναι αρκετά συνηθισμένη όταν εκτείνεται έναντι της χωρητικότητας 2,5 ή 2,6 Ah που προσφέρεται από τα τυπικά κύτταρα Li-Ion.

Η πιο εμφανής ανισότητα είναι στο βάρος. Το νανο φωσφορικό κελί ζυγίζει μόνο 70 g ενώ το αντίστοιχο, το Sony ή Panasonic Li-Ion cell έχει βάρος 88 g και 93 g αντίστοιχα.

Ο κύριος λόγος για αυτό φαίνεται στο Σχήμα 1 όπου το περίβλημα του προηγμένου νανοφωσφορικού στοιχείου είναι κατασκευασμένο από αλουμίνιο και όχι από χάλυβα.

Επιπλέον, αυτό έχει ένα άλλο πλεονέκτημα έναντι των συμβατικών στοιχείων καθώς το αλουμίνιο είναι καλύτερο στη βελτίωση της αγωγής θερμότητας από το στοιχείο.

Ένας ακόμη καινοτόμος σχεδιασμός είναι το περίβλημα που σχηματίζει το θετικό τερματικό του κελιού. Είναι κατασκευασμένο με ένα λεπτό στρώμα σιδηρομαγνητικού υλικού που σχηματίζει τις πραγματικές επαφές.

Προδιαγραφές φόρτισης / εκφόρτισης και λειτουργίας

Για να αποφύγετε πρόωρη ζημιά στην μπαταρία, σας συνιστούμε να εφαρμόσετε το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα / τάση φόρτισης, σε περίπτωση που χρειαστεί να επαληθεύσετε τις προδιαγραφές από το φύλλο δεδομένων.

Το μικρό μας πείραμα αποκάλυψε ότι οι ιδιότητες της μπαταρίας άλλαξαν. Σε κάθε κύκλο φόρτισης / εκφόρτισης, καταγράψαμε μια μείωση της χωρητικότητας περίπου 1 mAh (0,005%) της ελάχιστης χωρητικότητας.

Αρχικά, επιχειρήσαμε να χρεώσουμε το LiFePO₄κελί στο πλήρες 1 C (2.3 A) και ορίστε την τιμή εκφόρτισης σε 4 C (9.2A). Εκπληκτικά, σε όλη τη σειρά φόρτισης, δεν υπήρξε αύξηση της θερμοκρασίας των κυψελών. Ωστόσο, κατά την εκφόρτιση, η θερμοκρασία αυξήθηκε από 21 ° C σε 31 ° C.

Η δοκιμή εκφόρτισης για 10 C (23 A) πήγε καλά με μια καταγεγραμμένη αύξηση θερμοκρασίας κυψέλης 49 ° C. Μόλις η τάση κυψέλης μειωθεί στα 4 V (μετριέται υπό φορτίο), η μπαταρία παρείχε μέση τάση εκφόρτισης (Um) 5,68 V ή 2,84 V σε κάθε κυψέλη. Η ενεργειακή πυκνότητα υπολογίστηκε σε 94 Wh / kg.

Στο ίδιο εύρος μεγεθών, το κελί Sony 26650VT παρουσιάζει υψηλότερη μέση τάση 3,24 V στους 10 C εκφόρτιση με χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα 89 Wh / kg.

Αυτό είναι χαμηλότερο από το LiFePO₄πυκνότητα κυττάρων. Η διαφορά μπορεί να αποδοθεί στο μειωμένο βάρος κυττάρων. Όμως, το LiFePO₄Τα κύτταρα έχουν σημαντικά χαμηλότερη απόδοση από τα κύτταρα LiPo.

Το τελευταίο εφαρμόζεται συχνά σε κυκλώματα μοντελοποίησης και έχουν μέση τάση εκφόρτισης 3,5 V ή περισσότερο στους 10 C. Όσον αφορά την ενεργειακή πυκνότητα, τα κύτταρα LiPo έχουν επίσης το πάνω χέρι με εύρος μεταξύ 120 Wh / kg και 170 Wh / kg .

Στην επόμενη εξέταση, χρεώσαμε πλήρως το LiFePO₄κύτταρα στους 1 C και ψύχθηκαν αργότερα στους -8 ° C. Η επακόλουθη εκφόρτιση στους 10 C συνέβη σε θερμοκρασία δωματίου που είναι περίπου 23 ° C.

Η επιφανειακή θερμοκρασία των κυττάρων είχε αυξηθεί στους 9 ° C μετά από αυτό. Ωστόσο, η εσωτερική θερμοκρασία του κελιού πρέπει να ήταν σημαντικά χαμηλότερη αν και η άμεση μέτρησή του δεν ήταν δυνατή.

Στο Σχήμα 2, μπορείτε να δείτε την τερματική τάση (κόκκινη γραμμή) των δροσισμένων κυττάρων που βυθίστηκαν στην αρχή. Καθώς η θερμοκρασία αυξήθηκε, επέστρεψε στο ίδιο επίπεδο σαν να διεξήχθη η δοκιμή με τα κύτταρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Παραδόξως, η διαφορά στην τελική θερμοκρασία είναι χαμηλή (47 ° C έναντι 49 ° C). Αυτό συμβαίνει επειδή η εσωτερική αντίσταση των κυττάρων εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι όταν τα κελιά είναι κρύα (χαμηλή θερμοκρασία), ουσιαστικά περισσότερη ισχύς διαλύεται εσωτερικά.

Η επόμενη εξέταση αφορούσε το ρεύμα εκφόρτισης όπου αυξήθηκε στους 15 C (34,5 A), τα κύτταρα παρουσίασαν περισσότερο από την ελάχιστη χωρητικότητά τους καθώς η θερμοκρασία κλιμακώθηκε στους 53 ° C από 23 ° C.

Δοκιμή ακραίας τρέχουσας χωρητικότητας LiFePO₄Κελιά

Σας δείξαμε μια απλή διαμόρφωση κυκλώματος στο Σχήμα 3. Χρησιμοποιήσαμε ένα κύκλωμα χαμηλής αντίστασης για να μετρήσουμε τα μέγιστα επίπεδα ρεύματος.

Ο συνδυασμός των αντιστάσεων, συμπεριλαμβανομένης της αντίστασης διακλάδωσης 1 mΩ, της ενσωματωμένης αντίστασης του νεροχύτη ρεύματος 100 Α και των συνεργατών του (αντιστάσεις καλωδίων και αντιστάσεις επαφής στο βύσμα MPX).

Η εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση εμπόδισε την εκφόρτιση μιας μόνο φόρτισης να υπερβαίνει τα 65 A.

Επομένως, επιχειρήσαμε να αναθέσουμε τις μετρήσεις υψηλού ρεύματος χρησιμοποιώντας δύο κελιά σε σειρά όπως πριν. Λόγω αυτού, θα μπορούσαμε να μετρήσουμε την τάση μεταξύ των κυψελών χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο.

Ο τρέχων νεροχύτης σε αυτό το πείραμα μπορεί να έχει υπερφορτωθεί λόγω του ονομαστικού ρεύματος του κελιού 120 A. Περιορίζοντας την έκταση της αξιολόγησής μας, παρακολουθήσαμε την αύξηση της θερμοκρασίας στους 15 C εκφόρτιση.

Αυτό έδειξε ότι δεν ταιριάζει ο έλεγχος των κυττάρων ταυτόχρονα με τον ονομαστικό ρυθμό συνεχούς εκφόρτισης των 30 C (70 A).

Υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας των κυττάρων 65 ° C κατά την εκφόρτιση είναι το ανώτατο όριο ασφάλειας. Έτσι, κατασκευάσαμε το προκύπτον πρόγραμμα απαλλαγής.

Πρώτον, στους 69 A (30 C) τα κύτταρα εκφορτώνονται για 16 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, ακολούθησε εναλλασσόμενα διαστήματα «ανάκτησης» 11,5 A (5 C) για μισό λεπτό.

Μετά από αυτό, υπήρχαν παλμοί 10 δευτερολέπτων στα 69 A. Τέλος, όταν επιτεύχθηκε είτε η ελάχιστη τάση εκφόρτισης είτε η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία, η λειτουργία εκφόρτισης τερματίστηκε. Το σχήμα 4 απεικονίζει τα αποτελέσματα που ελήφθησαν.

Καθ 'όλη τη διάρκεια των υψηλών διαστημάτων φόρτισης, η τάση τερματικού μειώθηκε γρήγορα, γεγονός που αντιπροσωπεύει ότι τα ιόντα λιθίου μέσα στα κελιά έχουν περιορισμένη και αργή κίνηση.

Ωστόσο, το κελί βελτιώνεται γρήγορα κατά τη διάρκεια των διαστημάτων χαμηλού φορτίου. Αν και η τάση μειώνεται αργά καθώς το κελί αποφορτίζεται, μπορεί να βρείτε πολύ λιγότερο ακριβή πτώση τάσης από τα υψηλότερα φορτία, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του κελιού.

Αυτό επικυρώνει τον τρόπο με τον οποίο η θερμοκρασία εξαρτάται από την εσωτερική αντίσταση του κελιού.

Καταγράψαμε μια εσωτερική αντίσταση στο DC να είναι περίπου 11 mΩ (το φύλλο δεδομένων παρουσιάζει 10 mΩ) όταν το κελί αποφορτίζεται κατά το ήμισυ.

Όταν το κελί είχε αποφορτιστεί πλήρως, η θερμοκρασία είχε αυξηθεί στους 63 ° C, γεγονός που το εκθέτει σε κινδύνους για την ασφάλεια. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει επιπλέον ψύξη για τα κελιά, σταματήσαμε να προχωράμε στη δοκιμή με μεγαλύτερους παλμούς υψηλού φορτίου.

Η μπαταρία έδωσε έξοδο 2320 mAh σε αυτό το τεστ που ήταν μεγαλύτερη από την ονομαστική χωρητικότητα.

Με τη μέγιστη διαφορά μεταξύ των τάσεων κυψέλης στα 10 mV, η αντιστοίχιση μεταξύ τους ήταν εξαιρετική καθ 'όλη τη διάρκεια της δοκιμής.

Η εκφόρτιση σε πλήρες φορτίο σταμάτησε όταν η τερματική τάση πέτυχε 1 V ανά κυψέλη.

Ένα λεπτό αργότερα, είδαμε ανάκτηση τάσης ανοιχτού κυκλώματος 2,74 V σε κάθε ένα από τα κελιά.

Δοκιμή γρήγορης φόρτισης

Οι δοκιμές γρήγορης φόρτισης διεξήχθησαν στους 4 C (9,2 A) χωρίς να ενσωματωθεί ένας ηλεκτρονικός ζυγοστάθμιση, αλλά ελέγχαμε συνεχώς τις μεμονωμένες τάσεις κυψέλης.

Οταν χρησιμοποιείτε μπαταρίες μολύβδου-οξέος , μπορούμε να ρυθμίσουμε το αρχικό ρεύμα φόρτισης μόνο λόγω της μέγιστης και περιορισμένης τάσης που παρέχεται από το φορτιστή.

Επίσης, το ρεύμα φόρτισης μπορεί να ρυθμιστεί μόνο μετά την αύξηση της τάσης του κυττάρου σε σημείο όπου το ρεύμα φόρτισης αρχίζει να μειώνεται (φόρτιση σταθερού ρεύματος / σταθερής τάσης).

Στο πείραμά μας με το LiFePO₄, αυτό συμβαίνει μετά από 10 λεπτά όπου η διάρκεια μειώνεται από την επίδραση της διακλάδωσης στο μετρητή.

Γνωρίζουμε ότι το κελί φορτίζεται στο 97% ή περισσότερο της ονομαστικής χωρητικότητάς του μετά την παρέλευση 20 λεπτών.

Επιπλέον, το ρεύμα φόρτισης σε αυτό το στάδιο έχει μειωθεί σε 0,5 A. Ως αποτέλεσμα, μια «πλήρης» κατάσταση των κελιών θα αναφερθεί από ένα γρήγορος φορτιστής .

Καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας γρήγορης φόρτισης, οι τάσεις των κυττάρων μετακινήθηκαν μερικές φορές λίγο μεταξύ τους, αλλά όχι πέραν των 20 mV.

Αλλά για το σύνολο της διαδικασίας, τα κελιά τελείωσαν ταυτόχρονα φόρτιση.

Όταν αντιμετωπίζετε γρήγορη φόρτιση, τα κελιά τείνουν να θερμαίνονται αρκετά, με τη θερμοκρασία να καθυστερεί κάπως το ρεύμα φόρτισης.

Αυτό μπορεί να αποδοθεί σε απώλειες στην εσωτερική αντίσταση των κυττάρων.

Είναι θεμελιώδες να ακολουθείτε τις προφυλάξεις ασφαλείας κατά τη φόρτιση του LiFePO₄και όχι πέραν της προτεινόμενης τάσης φόρτισης 3,6 V.

Προσπαθήσαμε να περάσουμε λίγο και προσπαθήσαμε να «υπερφορτίσουμε» τα κελιά με τελική τάση 7,8 V (3,9 V ανά κελί).

Δεν συνιστάται καθόλου να το επαναλάβετε στο σπίτι.

Αν και δεν υπήρχε παράξενη συμπεριφορά όπως το κάπνισμα ή η διαρροή και οι τάσεις των κυττάρων ήταν επίσης σχεδόν ίσες, αλλά το συνολικό αποτέλεσμα δεν φαίνεται να είναι πολύ ευεργετικό.

• Η εκφόρτιση 3 C παρείχε επιπλέον 100 mAh και η μέση τάση εκφόρτισης ήταν σχετικά υψηλότερη.
• Αυτό που θέλουμε να πούμε είναι η υπερφόρτιση προκαλεί μια μικρή αύξηση στην ενεργειακή πυκνότητα από 103,6 Wh / kg έως 104,6 Wh / kg.
• Ωστόσο, δεν αξίζει τον κόπο να υπομείνουμε τους κινδύνους και ενδεχομένως να θέσουμε τη ζωή των κυττάρων σε μόνιμη βλάβη.

Χημεία και αξιολογήσεις μπαταριών

Η έννοια της εφαρμογής FePO₄Η νανοτεχνολογία μαζί με τη χημεία της μπαταρίας λιθίου είναι η ανύψωση της επιφάνειας των ηλεκτροδίων πάνω στις οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν αντιδράσεις.

Υπάρχει χώρος για μελλοντική καινοτομία στην άνοδο του γραφίτη (αρνητικό τερματικό) φαίνεται θολό, αλλά όσον αφορά την κάθοδο, υπάρχει σημαντική πρόοδος.

Στην κάθοδο ενώσεις (συνήθως οξείδια) μετάλλων μετάπτωσης χρησιμοποιούνται για τη δέσμευση ιόντων. Μέταλλα όπως το μαγγάνιο, το κοβάλτιο και το νικέλιο που χρησιμοποιούνται από κάθοδοι έχουν μαζική παραγωγή.

Επιπλέον, καθένας από αυτούς έχει τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά του. Ο κατασκευαστής επέλεξε το σίδηρο, ιδιαίτερα το φωσφορικό σίδηρο (FePO4) στο οποίο ανακάλυψαν ένα υλικό καθόδου που ακόμη και σε χαμηλότερες τάσεις είναι αρκετά λειτουργικό για να αντέξει την υπερβολική χωρητικότητα της μπαταρίας.

Κατά κύριο λόγο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι χημικώς σταθερές μόνο σε ένα μικρό εύρος τάσης 2,3 V έως 4,3 V. Και στα δύο άκρα αυτού του εύρους απαιτούνται ορισμένες συμβιβασμοί για όρους ζωής. Πρακτικά, ένα ανώτερο όριο 4,2 V θεωρείται αποδεκτό ενώ 4,1 V συνιστάται για παρατεταμένη διάρκεια ζωής.

Συμβατικές μπαταρίες λιθίου που αποτελούνται από πολλά κελιά συνδέονται σε σειρά μείνετε εντός των ορίων τάσης μέσω ηλεκτρονικών πρόσθετων όπως εξισορροπητές , ισοσταθμιστές ή ακριβείς περιοριστές τάσης.

Η πολυπλοκότητα αυτών των κυκλωμάτων αυξάνεται καθώς αυξάνονται τα ρεύματα φόρτισης με αποτέλεσμα πρόσθετες απώλειες ισχύος. Για τους χρήστες, αυτές οι συσκευές φόρτισης δεν είναι πολύ προτιμώμενες, καθώς θα προτιμούσαν κελιά που μπορούν να αντέξουν σε βαθιά εκφόρτιση.

Επιπλέον, οι χρήστες θα ήθελαν επίσης ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασίας και τη δυνατότητα γρήγορης φόρτισης. Όλα αυτά θέτουν τη νανοτεχνολογία FePO₄βασισμένο στο LiFePO₄Τα κύτταρα γίνονται τα αγαπημένα στην καινοτομία των μπαταριών Li-Ion.

Προκαταρκτικά συμπεράσματα

Λόγω των περίτεχνα επίπεδων καμπυλών τάσης εκφόρτισης που αγκυρώνουν την εκτέλεση βιομηχανικών εφαρμογών υψηλού ρεύματος, το LiFePO₄ή το FePO₄-καθόδων Li-Ion κύτταρα είναι πολύ επιθυμητά.

Όχι μόνο έχουν ουσιαστικά μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τα συμβατικά κύτταρα Li-Ion, αλλά και μια εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος.

Ο συνδυασμός χαμηλής εσωτερικής αντίστασης και χαμηλού βάρους είναι καλά για τα κύτταρα αντικατάστασης ανάλογα με το νικέλιο ή το μόλυβδο σε εφαρμογές υψηλής ισχύος.

Συνήθως, τα κύτταρα δεν μπορούν να υποστούν συνεχή εκφόρτιση στους 30 C χωρίς να βιώνουν μια επικίνδυνη αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό είναι δυσμενές επειδή δεν θα θέλατε να εκφορτιστεί ένα κελί 2,3 Ah στα 70 A σε δύο μόνο λεπτά. Σε αυτόν τον τύπο εφαρμογών, ο χρήστης λαμβάνει ευρύτερες επιλογές από τα παραδοσιακά κελιά λιθίου.

Από την άλλη πλευρά, υπάρχει συνεχής ζήτηση για ταχύτερη φόρτιση, ειδικά εάν η διάρκεια φόρτισης μπορεί να μειωθεί δραστικά. Πιθανώς αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους το LiFePO₄τα κελιά διατίθενται σε επαγγελματικά σφυρί 36 V (10 κελιά σειράς).

Τα κύτταρα λιθίου αναπτύσσονται καλύτερα σε υβριδικά και φιλικά προς το περιβάλλον αυτοκίνητα. Χρησιμοποιώντας μόνο τέσσερα FePO₄τα κύτταρα (13,2 V) σε μια μπαταρία αποδίδουν 70% μικρότερο βάρος από μια μπαταρία μολύβδου-οξέος. Βελτιωμένος κύκλος ζωής προϊόντος και σημαντικά υψηλότερη ενέργεια πάνω από πυκνότητες ισχύος έχουν υποστηρίξει την ανάπτυξη υβριδικό όχημα τεχνολογία σε οχήματα με μηδενικές εκπομπές.