Specifikacije polnjenja / praznjenja akumulatorja LiFePO4, pojasnjene prednosti

Medtem ko imajo Li-Ion in litij-polimerni elektrolitski akumulatorji (LiPo) neprimerljivo gostoto energije, so baterije na osnovi litija drage za proizvodnjo in jih je treba natančno ravnati, skupaj s previdnim polnjenjem.

Z razvojem nanotehnologije se je postopek izdelave katodne elektrode za te baterije znatno izboljšal.

Preboj LiFePO z visoko obremenitvijo, ki temelji na nanotehnologiji_4.celice so naprednejše od tradicionalnih celic Li-ion ali Lipo.

Naučimo se več:

Kaj je LiFePO_4.Baterija

Litijeva železofosfatna baterija (LiFePO_4.baterija) ali LFP baterija (litijev ferofosfat), je oblika litij-ionska baterija ki zaposluje LiFePO_4.kot katodni material (znotraj baterij ta katoda tvori pozitivno elektrodo) in grafitna ogljikova elektroda s kovinsko oporo, ki tvori anodo.

Gostota energije LiFePO_4.je manjši od običajne kemije litijevega kobaltovega oksida (LiCoO 2) in ima tudi manjšo delovno napetost.

Najpomembnejša slabost LiFePO_4.je njegova zmanjšana električna prevodnost. Kot rezultat, vsak LiFePO_4.katode so v resnici LiFePO_4./ C.

Zaradi cenejših stroškov, minimalne toksičnosti, natančno določenih zmogljivosti, obsežne stabilnosti itd. LiFePO_4.je postala priljubljena pri številnih aplikacijah na vozilih, stacionarnih aplikacijah in tudi pri pretvornikih in pretvornikih.

Prednosti LiFePO_4.Baterija

Nanofosfatne celice izkoriščajo prednosti tradicionalnih litijevih celic in jih združujejo s prednostmi spojin na osnovi niklja. Vse to se zgodi, ne da bi pri tem izkusili slabosti katere koli strani.

Ti idealni NiCd baterije imajo več ugodnosti, kot so:

• Varnost - niso vnetljive, zato zaščitnega kroga ni treba.
• Robustna - Baterije imajo dolgo življenjsko dobo in standardni način polnjenja.
• Visoka toleranca na velike obremenitve in hitro polnjenje.
• Imajo konstantno napetost praznjenja (ravna krivulja praznjenja).
• Visoka celična napetost in nizek samopraznjenje
• Vrhunska moč in kompaktna gostota energije

Razlika med LiFePO_4.in Li-Ion baterija

Konvencionalno Li-ionske celice so opremljeni z minimalno napetostjo 3,6 V in polnilno napetostjo 4,1 V. Pri obeh napetostih je pri različnih proizvajalcih 0,1 V razlike. To je glavna razlika.

Nanofosfatne celice imajo nominalno napetost 3,3 V in potlačeno nabito napetost 3,6 V. Običajna zmogljivost 2,3 Ah je zelo pogosta, če jo nastavimo na zmogljivost 2,5 ali 2,6 Ah, ki jo ponujajo standardne Li-Ion celice.

Izrazita različnost je v teži. Nanofosfatna celica tehta le 70 g, medtem ko ima njena celica Sony ali Panasonic Li-Ion 88 in 93 g teže.

Glavni razlog za to je prikazan na sliki 1, kjer je ohišje napredne nanofosfatne celice izdelano iz aluminija in ne iz jeklene pločevine.

Poleg tega ima to še eno prednost pred običajnimi celicami, saj je aluminij boljši pri izboljšanju prevodnosti toplote iz celice.

Še ena inovativna zasnova je ohišje, ki tvori pozitivni terminal celice. Zgrajena je s tanko plastjo feromagnetnega materiala, ki tvori prave kontakte.

Specifikacije polnjenja / praznjenja in delovanje

Da bi preprečili prezgodnje poškodbe akumulatorja, priporočamo uporabo največjega dovoljenega polnilnega toka / napetosti, če bi morali podatke preveriti v obrazcu.

Naš majhen poskus je razkril lastnosti spremenjene baterije. Pri vsakem ciklu polnjenja / praznjenja smo zabeležili padec kapacitete približno 1 mAh (0,005%) najmanjše zmogljivosti.

Sprva smo poskušali zaračunati naš LiFePO_4.celico pri polnih 1 C (2,3 A) in nastavite vrednost praznjenja na 4 C (9,2 A). Presenetljivo je, da v celotnem zaporedju polnjenja ni prišlo do povišanja celične temperature. Vendar se je med praznjenjem temperatura dvignila z 21 ° C na 31 ° C.

Preskus praznjenja za 10 C (23 A) je dobro uspel z zabeleženim dvigom temperature celice za 49 ° C. Ko se napetost celice zniža na 4 V (izmerjena pod obremenitvijo), je baterija zagotovila povprečno napetost praznjenja (Um) 5,68 V ali 2,84 V na vsaki celici. Izračunana je bila energijska gostota 94 Wh / kg.

V istem obsegu velikosti ima celica Sony 26650VT višjo srednjo napetost 3,24 V pri izpustu 10 C z nižjo gostoto energije 89 Wh / kg.

To je nižje od LiFePO_4.gostoto celic. Razliko lahko pripišemo zmanjšani teži celic. Ampak, LiFePO_4.celice imajo bistveno nižje zmogljivosti kot celice LiPo.

Slednje se pogosto uporablja za modeliranje vezij in imajo povprečno napetost praznjenja 3,5 V ali več pri 10 C. Glede na gostoto energije imajo LiPo celice tudi prednost v razponu med 120 Wh / kg in 170 Wh / kg. .

V naslednjem pregledu smo popolnoma napolnili LiFePO_4.celice pri 1 C in jih pozneje ohladile na -8 ° C. Sledeč izpust pri 10 C se je zgodil pri sobni temperaturi okoli 23 ° C.

Površinska temperatura celic se je po tem povečala na 9 ° C. Kljub temu je morala biti notranja temperatura celice bistveno nižja, čeprav njeno neposredno merjenje ni bilo mogoče.

Na sliki 2 lahko vidite priključno napetost (rdeča črta) ohlajenih celic, potopljenih na začetku. Ko se je temperatura dvignila, se je vrnila na enako raven, kot če bi test izvajal s celicami pri sobni temperaturi.

Presenetljivo je, da je razlika v končni temperaturi majhna (47 ° C proti 49 ° C). To je zato, ker je notranji upor celic odvisen od temperature. To pomeni, da ko se celice ohladijo (nizka temperatura), se bistveno več energije razprši znotraj.

Naslednja preiskava je bila povezana s praznjenjem toka, kjer se je povečal na 15 C (34,5 A), celice pa so imele več kot minimalno zmogljivost, ko je temperatura z 23 ° C stopnjevala na 53 ° C.

Preskušanje izjemne trenutne zmogljivosti LiFePO_4.Celice

Na sliki 3 smo vam prikazali preprosto konfiguracijo vezja. Za merjenje najvišjih ravni toka smo uporabili vezje z nizkim uporom.

Kombinacija uporov, vključno z upornim uporom 1 mΩ, vgrajenim uporom tokovnega ponora 100 A in pripadajočimi upori (kabelski upori in kontaktni upori v priključku MPX).

Izjemno nizek upor je preprečil, da bi en sam naboj prešel na več kot 65 A.

Zato smo poskušali prenesti meritve visokega toka z dvema zaporednima celicama, kot prej. Zaradi tega bi lahko z multimetrom izmerili napetost med celicami.

Tok ponora v tem poskusu je bil morda preobremenjen zaradi nazivnega toka celice 120 A. Z omejevanjem obsega naše ocene smo spremljali povišanje temperature pri izpustu 15 C.

To je pokazalo, da ni primerno testirati celic naenkrat pri nazivni hitrosti neprekinjenega praznjenja 30 C (70 A).

Obstajajo močni dokazi, da je temperatura celice 65 ° C med praznjenjem zgornja meja varnosti. Torej, sestavili smo razpored izpustov.

Najprej se pri 69 A (30 C) celice izpraznijo 16 sekund. Nato so sledili izmenični intervali 'okrevanja' po 11,5 A (5 C) za pol minute.

Po tem so bili 10-sekundni impulzi pri 69 A. Na koncu, ko je bila dosežena najmanjša napetost praznjenja ali največja dovoljena temperatura, je bilo praznjenje končano. Slika 4 prikazuje pridobljene rezultate.

Skozi intervale velikih obremenitev je napetost priključka hitro padala, kar pomeni, da so litijevi ioni v celicah omejeni in počasni.

Kljub temu se celica v intervalih z majhno obremenitvijo hitro izboljša. Čeprav napetost počasi pada, ko se celica izprazni, lahko pri večjih obremenitvah opazite znatno manj natančne padce napetosti, ko se temperatura celice poveča.

To potrjuje, kako je temperatura odvisna od notranjega upora celice.

Zabeležili smo notranji upor proti enosmernemu toku približno 11 mΩ (podatkovni list predstavlja 10 mΩ), ko je celica napolnjena.

Ko se je celica popolnoma izpraznila, se je temperatura dvignila na 63 ° C, kar jo izpostavlja varnostnim tveganjem. To je zato, ker za celice ni dodatnega hlajenja, zato smo se ustavili pri testiranju z daljšimi impulzi z visoko obremenitvijo.

V tem preskusu je baterija izpustila 2320 mAh, kar je bilo več od nominalne kapacitete.

Z največjo razliko med napetostmi celic pri 10 mV je bilo med preskusom izjemno ujemanje med njimi.

Izpraznitev pri polni obremenitvi je bila ustavljena, ko je napetost sponke dosegla 1 V na celico.

Minuto kasneje smo videli obnovitev napetosti odprtega kroga 2,74 V nad vsako od celic.

Preskus hitrega polnjenja

Preizkusi hitrega polnjenja so bili opravljeni pri 4 C (9,2 A) brez vgradnje elektronske tehtnice, vendar smo stalno preverjali napetosti posameznih celic.

Pri uporabi svinčeve baterije , začetni polnilni tok lahko nastavimo samo zaradi največje in omejene napetosti, ki jo odda polnilnik.

Polnilni tok lahko nastavite šele, ko se napetost celice dvigne do točke, ko se polnilni tok začne zmanjševati (konstantni tok / polnjenje s konstantno napetostjo).

V našem poskusu z LiFePO_4., to se zgodi po 10 minutah, ko se trajanje zmanjša zaradi učinka premika v števcu.

Vemo, da se celica po preteku 20 minut napolni na 97% ali več od njene nominalne kapacitete.

Poleg tega je tok naboja na tej stopnji padel na 0,5 A. Posledično bo 'polno' stanje celic sporočilo hitri polnilnik .

Skozi postopek hitrega polnjenja so se napetosti celic včasih nekoliko premikale med seboj, vendar ne več kot 20 mV.

Toda za celoten postopek so celice istočasno končale polnjenje.

Ko pride do hitrega polnjenja, se celice običajno precej ogrejejo, pri čemer temperatura nekoliko zaostaja za polnilnim tokom.

To lahko pripišemo izgubam v notranji odpornosti celic.

Pri polnjenju LiFePO je bistveno upoštevati varnostne ukrepe_4.in ne preko predlagane polnilne napetosti 3,6 V.

Poskušali smo se malo prikrasti mimo in poskušali celice 'prenapolniti' s končno napetostjo 7,8 V (3,9 V na celico).

Sploh ni priporočljivo, da tega ponavljate doma.

Čeprav ni bilo čudnega vedenja, kot sta kajenje ali puščanje in so bile tudi napetosti celic skoraj enake, vendar se zdi, da splošni rezultat ni bil preveč koristen.

• Razelektritev 3 C je zagotavljala dodatnih 100 mAh, povprečna napetost praznjenja pa je bila relativno višja.
• Mislimo, da prekomerno polnjenje povzroča majhen preobrat v gostoti energije od 103,6 Wh / kg do 104,6 Wh / kg.
• Vendar se ne splača prenašati tveganj in po možnosti izpostaviti življenje celic trajnim poškodbam.

Kemija baterij in ocene

Koncept uporabe FePO_4.nanotehnologija je skupaj s kemijo litijeve baterije dvigniti površino elektrod, nad katerimi lahko potekajo reakcije.

Prostor za prihodnje inovacije na grafitni anodi (negativni terminal) je videti moten, toda glede katode je opazen napredek.

Na katodi se za zajem ionov uporabljajo spojine (običajno oksidi) prehodnih kovin. Kovine, kot so mangan, kobalt in nikelj, ki jih uporabljajo katode, se množično proizvajajo.

Poleg tega ima vsak od njih svoje prednosti in slabosti. Proizvajalec se je odločil za železo, zlasti železov fosfat (FePO4), v katerem so odkrili katodni material, ki je tudi pri nižjih napetostih dovolj funkcionalen, da vzdrži izjemno zmogljivost baterije.

Li-Ion baterije so v prvi vrsti kemično stabilne le v majhnem napetostnem območju od 2,3 V do 4,3 V. Na obeh koncih tega območja so potrebna neka uskladitev glede življenjske dobe. V praksi se zgornja meja 4,2 V šteje za sprejemljivo, medtem ko se 4,1 V priporoča za daljše življenje.

Navadne litijeve baterije, ki so sestavljene iz več celic zaporedno povezanih ostanite znotraj napetostnih vrednosti prek elektronskih dodatkov, kot je uravnotežilci , izenačevalniki ali natančni omejevalniki napetosti.

Zapletenost teh vezij se povečuje s povečanjem polnilnih tokov, kar povzroči dodatne izgube moči. Za uporabnike te polnilne naprave niso preveč zaželene, saj bi raje imeli celice, ki lahko prenesejo globok izpust.

Poleg tega bi si uporabniki želeli tudi širok temperaturni razpon in možnost hitrega polnjenja. Vse to je nano-tehnologija FePO_4.temelji na LiFePO_4.celice postanejo priljubljene pri inovacijah Li-Ion baterij.

Predhodni sklepi

Zaradi svojih izredno ravnih krivulj napetosti praznjenja, ki zasidrajo izvajanje visokonapetostnih industrijskih aplikacij, LiFePO_4.ali FePO_4.-katodne Li-ionske celice so zelo zaželene.

Ne samo, da imajo bistveno večjo gostoto energije kot običajne Li-Ion celice, ampak tudi izjemno visoko gostoto moči.

Kombinacija nizke notranje odpornosti in majhne teže dobro kaže na nadomestne celice, odvisno od niklja ali svinca v aplikacijah z veliko močjo.

Običajno celice ne morejo prenesti neprekinjenega praznjenja pri 30 ° C, ne da bi pri tem nevarno naraščale. To je neugodno, ker ne bi želeli, da bi se celica 2,3 Ah izpraznila pri 70 A v samo dveh minutah. Pri tej vrsti aplikacij ima uporabnik širše možnosti kot tradicionalne litijeve celice.

Na drugi strani je nenehno povpraševanje po hitrejšem polnjenju, še posebej, če je mogoče trajanje polnjenja drastično zmanjšati. Verjetno je to eden od razlogov, zakaj LiFePO_4.celice je na voljo v profesionalnih kladivih s 36 vati (10 celic).

Litijeve celice je najbolje uporabiti v hibridnih in okolju prijaznih avtomobilih. Uporaba samo štirih FePO_4.celic (13,2 V) v bateriji daje 70% manjšo težo kot svinčena baterija. Izboljšani življenjski cikel izdelka in bistveno večja energija poleg moči moči sta podprla razvoj hibridno vozilo tehnologija v veliki meri pri vozilih z brez emisij.