Specyfikacje ładowania / rozładowania akumulatora LiFePO4, wyjaśnione zalety

Podczas gdy akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe elektrolityczne (LiPo) mają niezrównaną gęstość energii, akumulatory litowe są kosztowne w produkcji i wymagają starannej obsługi oraz ostrożnego ładowania.

Wraz z postępem nanotechnologii proces produkcji elektrody katodowej do tych baterii znacznie się poprawił.

Przełom przez oparty na nanotechnologii LiFePO o wysokim obciążeniu₄ogniwa są bardziej zaawansowane niż tradycyjne ogniwa Li-ion czy Lipo.

Dowiedzmy się więcej:

Co to jest LiFePO₄Bateria

Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO₄bateria) lub bateria LFP (żelazofosforan litu), jest formą bateria litowo-jonowa który zatrudnia LiFePO₄jako materiał katody (wewnątrz baterii katoda ta stanowi elektrodę dodatnią) oraz grafitową elektrodę węglową mającą metalową podporę tworzącą anodę.

Gęstość energii LiFePO₄jest mniejszy w porównaniu do konwencjonalnego chemii tlenku kobaltu litu (LiCoO 2), a także ma mniejsze napięcie robocze.

Najważniejsza wada LiFePO₄jest jego zmniejszoną przewodnością elektryczną. W rezultacie każdy z LiFePO₄Uwzględniane katody to w rzeczywistości LiFePO₄/ C.

Dzięki niższym kosztom, minimalnej toksyczności, precyzyjnie określonej wydajności, dużej stabilności itp. LiFePO₄stał się popularny w wielu zastosowaniach samochodowych, stacjonarnych aplikacjach na skalę użytkową, a także w aplikacjach z falownikami i przetwornicami.

Zalety LiFePO₄Bateria

Ogniwa nanofosforanowe wykorzystują zalety tradycyjnych ogniw litowych i łączą je z zaletami związków na bazie niklu. Wszystko to dzieje się bez odczuwania wad po obu stronach.

Te idealne Akumulatory NiCd ma kilka korzyści, takich jak:

• Bezpieczeństwo - są niepalne, więc nie ma potrzeby stosowania obwodu ochronnego.
• Solidne - akumulatory mają długi cykl życia i standardową metodę ładowania.
• Wysoka tolerancja na duże obciążenia i szybkie ładowanie.
• Mają stałe napięcie rozładowania (płaska krzywa rozładowania).
• Wysokie napięcie ogniwa i niskie samorozładowanie
• Doskonała moc i kompaktowa gęstość energii

Różnica między LiFePO₄i akumulator litowo-jonowy

Standardowy Ogniwa litowo-jonowe są wyposażone w minimalne napięcie 3,6 V i napięcie ładowania 4,1 V. Różnica producentów wynosi 0,1 V przy obu tych napięciach. To jest główna różnica.

Ogniwa nanofosforanowe mają nominalne napięcie 3,3 V i tłumione napięcie naładowania 3,6 V. Normalna pojemność 2,3 Ah jest dość powszechna w porównaniu z pojemnością 2,5 lub 2,6 Ah oferowaną przez standardowe ogniwa Li-Ion.

Bardziej widoczna odmienność dotyczy wagi. Ogniwo nanofosforanowe waży tylko 70 g, podczas gdy jego odpowiednik, ogniwo Li-Ion Sony lub Panasonic waży odpowiednio 88 gi 93 g.

Główny powód tego jest pokazany na rysunku 1, gdzie obudowa zaawansowanego ogniwa nanofosforanowego jest wykonana z aluminium, a nie z blachy stalowej.

Ponadto ma to kolejną zaletę w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami, ponieważ aluminium lepiej poprawia przewodzenie ciepła z ogniwa.

Jeszcze jedną innowacyjną konstrukcją jest obudowa, która tworzy dodatni zacisk ogniwa. Jest zbudowany z cienkiej warstwy materiału ferromagnetycznego, który tworzy rzeczywiste styki.

Specyfikacje ładowania / rozładowania i działanie

Aby zapobiec przedwczesnemu uszkodzeniu akumulatora, zalecamy zastosowanie maksymalnego dopuszczalnego prądu / napięcia ładowania, na wypadek konieczności zweryfikowania specyfikacji z arkusza danych.

Nasz mały eksperyment wykazał zmianę właściwości baterii. Przy każdym cyklu ładowania / rozładowania odnotowaliśmy spadek pojemności o około 1 mAh (0,005%) minimalnej pojemności.

Początkowo próbowaliśmy naładować nasz LiFePO₄ogniwo przy pełnym 1 C (2,3 A) i ustawić wartość rozładowania na 4 C (9,2 A). O dziwo, podczas całej sekwencji ładowania nie nastąpił wzrost temperatury ogniw. Jednak podczas rozładowywania temperatura wzrosła z 21 ° C do 31 ° C.

Test rozładowania dla 10 C (23 A) wypadł dobrze z zarejestrowanym wzrostem temperatury ogniwa o 49 ° C. Gdy napięcie ogniwa spadło do 4 V (mierzone pod obciążeniem), akumulator zapewniał średnie napięcie rozładowania (Um) 5,68 V lub 2,84 V na każde ogniwo. Obliczona gęstość energii wyniosła 94 Wh / kg.

W tym samym zakresie wielkości ogniwo Sony 26650VT wykazuje wyższe średnie napięcie 3,24 V przy rozładowaniu 10 C przy niższej gęstości energii 89 Wh / kg.

To jest niższa niż LiFePO₄gęstość komórki. Różnicę można przypisać zmniejszonej masie komórek. Ale LiFePO₄ogniwa mają znacznie niższą wydajność niż ogniwa LiPo.

Te ostatnie są często stosowane do modelowania obwodów i mają średnie napięcie rozładowania 3,5 V lub więcej przy 10 C. Pod względem gęstości energii, ogniwa LiPo mają również przewagę w zakresie od 120 Wh / kg do 170 Wh / kg. .

Podczas naszego następnego badania w pełni naładowaliśmy LiFePO₄komórki w temperaturze 1 C i schłodzono je później do -8 ° C. Następujące wyładowanie w 10 ° C miało miejsce w temperaturze pokojowej, która wynosi około 23 ° C.

Następnie temperatura powierzchni ogniw wzrosła do 9 ° C. Mimo to wewnętrzna temperatura ogniwa musiała być znacznie niższa, chociaż jej bezpośredni pomiar nie był możliwy.

Na rysunku 2 można zobaczyć napięcie na zaciskach (czerwona linia) schłodzonych ogniw nurkujących na początku. Wraz ze wzrostem temperatury powracała do tego samego poziomu, jak gdyby test był prowadzony z ogniwami w temperaturze otoczenia.

Zaskakująco, różnica w końcowej temperaturze jest niewielka (47 ° C wobec 49 ° C). Dzieje się tak, ponieważ opór wewnętrzny ogniw zależy od temperatury. Oznacza to, że gdy ogniwa są zimne (niska temperatura), znacznie więcej energii jest rozpraszane wewnętrznie.

Kolejne badanie dotyczyło prądu rozładowania, w którym wzrósł do 15 C (34,5 A), ogniwa prezentowały więcej niż ich minimalną pojemność, gdy temperatura wzrosła do 53 ° C z 23 ° C.

Testowanie ekstremalnej wydajności prądowej LiFePO₄Komórki

Przedstawiliśmy prostą konfigurację obwodu na rysunku 3. Użyliśmy obwodu o niskiej rezystancji do pomiaru szczytowych poziomów prądu.

Kombinacja rezystancji obejmująca rezystor bocznikowy 1 mΩ, wbudowaną rezystancję odbiornika prądu 100 A i jego współpracowników (rezystancje kabli i rezystancje styków w złączu MPX).

Ekstremalnie niski opór uniemożliwił rozładowanie pojedynczego ładunku przekraczające 65 A.

Dlatego podjęliśmy próbę delegowania pomiarów wysokoprądowych przy użyciu dwóch ogniw szeregowo, jak poprzednio. Dzięki temu mogliśmy zmierzyć napięcie między ogniwami za pomocą multimetru.

Ubytek prądu w tym doświadczeniu mógł zostać przeciążony z powodu prądu znamionowego ogniwa wynoszącego 120 A. Ograniczając zakres naszej oceny, monitorowaliśmy wzrost temperatury przy rozładowaniu 15 ° C.

To pokazało, że nie jest właściwe testowanie wszystkich ogniw naraz przy ich znamionowej ciągłej szybkości rozładowania 30 C (70 A).

Istnieją poważne dowody na to, że temperatura powierzchni ogniwa 65 ° C podczas rozładowywania jest górną granicą bezpieczeństwa. Skonstruowaliśmy więc wynikowy harmonogram rozładunku.

Po pierwsze, przy 69 A (30 C) ogniwa są rozładowywane przez 16 sekund. Następnie następowały naprzemienne okresy „regeneracji” 11,5 A (5 C) przez pół minuty.

Po tym nastąpiły 10-sekundowe impulsy przy 69 A. Ostatecznie, po osiągnięciu minimalnego napięcia rozładowania lub maksymalnej dopuszczalnej temperatury, wyładowywanie kończyło się. Rysunek 4 przedstawia uzyskane wyniki.

W okresach dużego obciążenia napięcie na zaciskach szybko spadało, co oznacza, że ​​jony litu wewnątrz ogniw mają ograniczony i powolny ruch.

Mimo to ogniwo szybko się poprawia podczas okresów niskiego obciążenia. Chociaż napięcie powoli spada w miarę rozładowywania się ogniwa, przy wyższych obciążeniach, w miarę wzrostu temperatury ogniwa, mogą wystąpić znacznie mniej dokładne spadki napięcia.

To potwierdza zależność temperatury od wewnętrznego oporu ogniwa.

Zanotowaliśmy wewnętrzną rezystancję do prądu stałego na poziomie około 11 mΩ (arkusz danych przedstawia 10 mΩ), gdy ogniwo jest w połowie rozładowane.

Gdy ogniwo zostało całkowicie rozładowane, temperatura wzrosła do 63 ° C, co naraża je na zagrożenie bezpieczeństwa. Dzieje się tak, ponieważ nie ma dodatkowego chłodzenia ogniw, dlatego przestaliśmy przechodzić do testów z dłuższymi impulsami o wysokim obciążeniu.

Akumulator dawał w tym teście moc 2320 mAh, która była większa niż pojemność nominalna.

Przy maksymalnej różnicy napięć ogniw wynoszącej 10 mV, dopasowanie między nimi było znakomite przez cały czas trwania testu.

Rozładowanie przy pełnym obciążeniu zostało zatrzymane, gdy napięcie na zaciskach osiągnęło 1 V na ogniwo.

Minutę później zauważyliśmy przywrócenie napięcia w obwodzie otwartym 2,74 V na każdym z ogniw.

Test szybkiego ładowania

Testy szybkiego ładowania zostały przeprowadzone przy 4 C (9,2 A) bez stosowania elektronicznego balansera, ale stale sprawdzaliśmy napięcia poszczególnych ogniw.

Podczas używania akumulatory kwasowo-ołowiowe możemy ustawić tylko początkowy prąd ładowania ze względu na maksymalne i ograniczone napięcie dostarczane przez ładowarkę.

Prąd ładowania można również ustawić dopiero po wzroście napięcia ogniwa do punktu, w którym prąd ładowania zacznie się zmniejszać (ładowanie prądem stałym / napięciem stałym).

W naszym eksperymencie z LiFePO₄dzieje się to po 10 minutach, gdy czas trwania jest skrócony przez efekt bocznikowania licznika.

Wiemy, że ogniwo jest naładowane do 97% lub więcej swojej nominalnej pojemności po upływie 20 minut.

Ponadto prąd ładowania na tym etapie spadł do 0,5 A. W rezultacie „pełny” stan ogniw zostanie zgłoszony przez szybka ładowarka .

Podczas szybkiego ładowania napięcia ogniw czasami nieznacznie się od siebie oddalały, ale nie więcej niż 20 mV.

Ale ogólnie rzecz biorąc, ogniwa zakończyły ładowanie w tym samym czasie.

Podczas szybkiego ładowania ogniwa mają tendencję do znacznego nagrzewania się, a temperatura nieco opóźnia prąd ładowania.

Można to przypisać utracie rezystancji wewnętrznej ogniw.

Podczas ładowania LiFePO należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa₄i nie poza sugerowanym napięciem ładowania 3,6 V.

Próbowaliśmy się trochę przekraść i próbowaliśmy „przeładować” ogniwa napięciem końcowym 7,8 V (3,9 V na ogniwo).

W ogóle nie zaleca się powtarzania tego w domu.

Chociaż nie było dziwnych zachowań, takich jak palenie lub wyciek, a napięcia ogniw były również prawie równe, ale ogólny wynik nie wydawał się zbyt korzystny.

• Wyładowanie 3 C zapewniło dodatkowe 100 mAh, a średnie napięcie rozładowania było stosunkowo wyższe.
• Chodzi o to, że przeładowanie powoduje niewielki wzrost gęstości energii od 103,6 Wh / kg do 104,6 Wh / kg.
• Jednak nie warto znosić ryzyka i być może narażać żywotność komórek na trwałe uszkodzenie.

Chemia akumulatorów i oceny

Koncepcja stosowania FePO₄Nanotechnologia wraz z chemią baterii litowych ma na celu zwiększenie powierzchni elektrod, na których mogą zachodzić reakcje.

Jest miejsce na przyszłe innowacje w grafitowej anodzie (biegun ujemny), ale w odniesieniu do katody nastąpił znaczny postęp.

Na katodzie związki (zazwyczaj tlenki) metali przejściowych są wykorzystywane do wychwytywania jonów. Metale, takie jak mangan, kobalt i nikiel, które są używane w katodach, są w masowej produkcji.

Co więcej, każdy z nich ma swoje wady i zalety. Producent zdecydował się na żelazo, zwłaszcza fosforan żelaza (FePO4), w którym odkrył materiał katody, który nawet przy niższych napięciach jest wystarczająco funkcjonalny, aby wytrzymać ekstremalną pojemność baterii.

Przede wszystkim akumulatory litowo-jonowe są stabilne chemicznie tylko w niewielkim zakresie napięć 2,3 V do 4,3 V. Na obu końcach tego zakresu konieczne są pewne uzgodnienia dotyczące warunków użytkowania. Praktycznie, górna granica 4,2 V jest uważana za akceptowalną, podczas gdy 4,1 V jest zalecane dla przedłużenia żywotności.

Konwencjonalne baterie litowe, z których się składają kilka ogniw połączonych szeregowo pozostać w granicach napięcia dzięki dodatkom elektronicznym, takim jak wyważarki , korektory lub precyzyjne ograniczniki napięcia.

Złożoność tych obwodów rośnie wraz ze wzrostem prądów ładowania, co powoduje dodatkowe straty mocy. Dla użytkowników te urządzenia ładujące nie są zbyt korzystne, ponieważ woleliby raczej ogniwa, które mogą wytrzymać głębokie rozładowanie.

Ponadto użytkownicy chcieliby również szerokiego zakresu temperatur i możliwości szybkiego ładowania. Wszystko to składa się na nano-technologię FePO₄oparty na LiFePO₄ogniwa stają się faworytami w innowacjach akumulatorów litowo-jonowych.

Wstępne wnioski

Ze względu na misternie płaskie krzywe napięcia rozładowania, które stanowią kotwicę wykonywania wysokoprądowych zastosowań przemysłowych, LiFePO₄lub FePO₄- ogniwa litowo-jonowe katodowe są bardzo pożądane.

Mają nie tylko znacznie większą gęstość energii niż konwencjonalne ogniwa Li-Ion, ale także wyjątkowo dużą gęstość mocy.

Połączenie niskiego oporu wewnętrznego i niewielkiej masy dobrze wróży wymiennym ogniwom w zależności od niklu lub ołowiu w zastosowaniach o dużej mocy.

Zwykle ogniwa nie są w stanie wytrzymać ciągłego rozładowania w temperaturze 30 ° C bez niebezpiecznego wzrostu temperatury. Jest to niekorzystne, ponieważ nie chciałbyś, aby ogniwo 2,3 Ah rozładowywało się przy 70 A w zaledwie dwie minuty. W tego typu zastosowaniach użytkownik otrzymuje szersze możliwości niż tradycyjne ogniwa litowe.

Z drugiej strony istnieje ciągłe zapotrzebowanie na szybsze ładowanie, szczególnie jeśli czas trwania ładowania można drastycznie skrócić. Prawdopodobnie jest to jeden z powodów, dla których LiFePO₄ogniwa są dostępne w profesjonalnych wiertarkach udarowych 36 V (seria 10 ogniw).

Ogniwa litowe najlepiej stosować w samochodach hybrydowych i przyjaznych dla środowiska. Używając tylko czterech FePO₄ogniwa (13,2 V) w pakiecie akumulatorów dają o 70% mniejszą wagę niż akumulator kwasowo-ołowiowy. Poprawiony cykl życia produktu i znacznie wyższa energia oprócz gęstości mocy wsparły rozwój pojazd hybrydowy technologii głównie w pojazdach bezemisyjnych.