Спецификации за зареждане / разреждане на батерията LiFePO4, обяснени предимства

Докато литиево-йонните и литиево-полимерните електролитни (LiPo) батерии притежават несравнима енергийна плътност, батериите на литиева основа са скъпи за производство и се нуждаят от щателно боравене заедно с предпазливо зареждане.

С напредването на нанотехнологиите производственият процес на катодния електрод за тези батерии отбеляза значително подобрение.

Пробивът на базираната на нанотехнологии LiFePO с високо натоварване₄клетките са по-напреднали от традиционните Li-ion или Lipo клетки.

Нека научим повече:

Какво е LiFePO₄Батерия

Литиево-железната фосфатна батерия (LiFePO₄батерия) или LFP батерия (литиев ферофосфат), е форма на литиево-йонна батерия която използва LiFePO₄като катоден материал (вътре в батериите този катод представлява положителния електрод) и графитен въглероден електрод с метална опора, образуваща анода.

Енергийната плътност на LiFePO₄е по-малък в сравнение с конвенционалната химия на литиев кобалтов оксид (LiCoO 2), както и се отличава с по-малко работно напрежение.

Най-важният недостатък на LiFePO₄е намалената му електропроводимост. В резултат на това всеки от LiFePO₄катодите в предвид са в действителност LiFePO₄/ ° С.

Благодарение на по-ниски разходи, минимална токсичност, точно определена производителност, обширна стабилност и др. LiFePO₄се превърна в популярен сред редица приложения, базирани на превозни средства, неподвижни стационарни приложения, а също и при инверторни, конверторни приложения.

Предимства на LiFePO₄Батерия

Нанофосфатните клетки вземат плюсовете на традиционните литиеви клетки и ги обединяват с предимствата на съединенията на никелова основа. Всичко това се случва, без да изпитате недостатъците на която и да е от страните.

Тези идеални NiCd батерии има няколко предимства като:

• Безопасност - Те са незапалими, така че няма нужда от защитна верига.
• Здрав - Батериите имат дълъг живот на цикъла и стандартен метод на зареждане.
• Висока толерантност към тежки товари и бързо зареждане.
• Те имат постоянно напрежение на разреждане (плоска крива на разреждане).
• Високо напрежение на клетката и нисък саморазряд
• Превъзходна мощност и компактна енергийна плътност

Разлика между LiFePO₄и Li-Ion батерия

Конвенционални Литиево-йонни клетки са оборудвани с минимално напрежение от 3,6 V и напрежение на заряд от 4,1 V. Има разлика от 0,1 V и при двете напрежения при различни производители. Това е основната разлика.

Нанофосфатните клетки имат номинално напрежение 3,3 V и потиснато заредено напрежение 3,6 V. Нормалният капацитет от 2,3 Ah е доста често срещан, когато се сравнява с капацитета от 2,5 или 2,6 Ah, предлаган от стандартните Li-Ion клетки.

По-голямото различие е в теглото. Нанофосфатната клетка тежи само 70 g, докато нейният аналог, литиево-йонната клетка Sony или Panasonic има тегло съответно 88 g и 93 g.

Основната причина за това е показана на фигура 1, където корпусът на усъвършенстваната нанофосфатна клетка е направен от алуминий, а не от стоманена ламарина.

Освен това, това носи още едно предимство пред конвенционалните клетки, тъй като алуминият е по-добър в подобряването на топлопроводимостта от клетката.

Още един иновативен дизайн е корпусът, който формира положителния извод на клетката. Изграден е с тънък слой феромагнитен материал, който формира истинските контакти.

Спецификации за зареждане / разреждане и работа

За да предотвратите преждевременно повреждане на батерията, препоръчваме да приложите максимално допустимия ток / напрежение на зареждане, в случай че е трябвало да проверите спецификациите от листа с данни.

Нашият малък експеримент разкри свойствата на променената батерия. При всеки цикъл на зареждане / разреждане регистрирахме потапяне в капацитета около 1 mAh (0,005%) от минималния капацитет.

Отначало се опитахме да таксуваме LiFePO₄клетка при пълните 1 C (2.3 A) и задайте стойността за разреждане на 4 C (9.2A). Изумително е, че през цялата зареждаща последователност не се наблюдава повишаване на клетъчната температура. По време на изхвърлянето обаче температурата се повиши от 21 ° C до 31 ° C.

Тестът за разреждане за 10 C (23 A) премина добре с регистрирано покачване на температурата на клетката от 49 ° C. След като напрежението на клетката намалее до 4 V (измерено под товар), батерията осигурява средно напрежение на разреждане (Um) от 5,68 V или 2,84 V на всяка клетка. Енергийната плътност беше изчислена на 94 Wh / kg.

При същия диапазон на размерите, клетката Sony 26650VT представя по-високо средно напрежение от 3,24 V при разряд от 10 C с по-ниска енергийна плътност от 89 Wh / kg.

Това е по-ниско от LiFePO₄плътност на клетката. Разликата може да се дължи на намаленото клетъчно тегло. Но LiFePO₄клетките имат значително по-ниска производителност от LiPo клетките.

Последното често се прилага за моделиране на схеми и те имат средно напрежение на разряд от 3,5 V или повече при 10 C. По отношение на енергийната плътност, LiPo клетките също имат надмощие с граници между 120 Wh / kg и 170 Wh / kg .

При следващото ни изследване ние напълно заредихме LiFePO₄клетки при 1 С и ги охлажда по-късно до -8 ° С. Последвалият разряд при 10 C се случи при стайна температура, която е около 23 ° C.

След това повърхностната температура на клетките се е увеличила до 9 ° C. И все пак вътрешната температура на клетката трябва да е била значително по-ниска, въпреки че директното й измерване не е било възможно.

На фигура 2 можете да видите крайното напрежение (червена линия) на охладените клетки, потопени в началото. С повишаването на температурата тя се връща на същото ниво, сякаш тестът се провежда с клетки при температура на околната среда.

Изненадващо, разликата в крайната температура е ниска (47 ° C срещу 49 ° C). Това е така, защото вътрешното съпротивление на клетките зависи от температурата. Това означава, че когато клетките са студени (ниска температура), значително по-голяма мощност се разсейва вътрешно.

Следващото изследване беше свързано с разрядния ток, където той се повиши до 15 C (34,5 A), клетките представиха повече от минималния си капацитет, тъй като температурата нарасна до 53 ° C от 23 ° C.

Тестване на екстремен токов капацитет на LiFePO₄Клетки

Показахме ви проста конфигурация на веригата на фигура 3. Използвахме верига с ниско съпротивление за измерване на пиковите нива на ток.

Комбинацията от съпротивления, включително 1 mΩ шунтиращ резистор, вграденото съпротивление на токовата мивка 100 A и неговите съдружници (кабелни съпротивления и контактни съпротивления в MPX конектора).

Изключително ниското съпротивление предотврати изхвърлянето на единичен заряд над 65 А.

Затова се опитахме да делегираме измерванията с висок ток, като използвахме две клетки последователно, както преди. Поради това можем да измерим напрежението между клетките с помощта на мултицет.

Токовата мивка в този експеримент може да е била претоварена поради номиналния ток на клетката от 120 А. Чрез ограничаване на степента на нашата оценка, ние наблюдавахме повишаване на температурата при разряд 15 C.

Това показа, че не е подходящо да се тестват клетките наведнъж при номиналната им продължителност на непрекъснат разряд от 30 C (70 A).

Съществуват сериозни доказателства, че температурата на повърхността на клетката от 65 ° C по време на изхвърлянето е горната граница за безопасност. И така, ние изградихме получения график на освобождаване.

Първо, при 69 A (30 C) клетките се разреждат за 16 секунди. След това беше последвано от редуващи се интервали на „възстановяване“ от 11,5 A (5 C) за половин минута.

След това имаше 10-секундни импулси при 69 А. Накрая, когато беше постигнато минималното напрежение на разреждане или максимално допустимата температура, разрядът беше приключен. Фигура 4 изобразява получените резултати.

По време на интервалите с високо натоварване напрежението на терминала спада бързо, което показва, че литиевите йони вътре в клетките са ограничени и забавят движението си.

И все пак клетката се подобрява бързо през интервалите с ниско натоварване. Въпреки че напрежението бавно пада при разреждането на клетката, може да откриете значително по-малко точни спада на напрежението от по-високите натоварвания, тъй като температурата на клетката се увеличава.

Това потвърждава как температурата зависи от вътрешното съпротивление на клетката.

Записахме вътрешно съпротивление на постоянен ток от около 11 mΩ (лист с данни представлява 10 mΩ), когато клетката е наполовина разредена.

Когато клетката се разреди напълно, температурата се повиши до 63 ° C, което я излага на рискове за безопасността. Това е така, защото няма допълнително охлаждане за клетките, поради което спряхме да пристъпваме към тестване с по-дълги импулси с високо натоварване.

В този тест батерията даде мощност от 2320 mAh, която беше по-голяма от номиналния капацитет.

С максимална разлика между напреженията на клетката при 10 mV, съвпадението между тях беше изключително по време на теста.

Разрядът при пълно натоварване е спрян, когато напрежението на клемата достигне 1 V на клетка.

Минута по-късно видяхме възстановяване на напрежение в отворена верига от 2,74 V над всяка от клетките.

Тест за бързо зареждане

Тестовете за бързо зареждане бяха проведени при 4 C (9.2 A), без да имаме електронен балансьор, но ние постоянно проверявахме напреженията на отделните клетки.

При използване оловни батерии , можем да зададем първоначалния ток на зареждане поради максималното и ограничено напрежение, доставено от зарядното устройство.

Също така, зареждащият ток може да се настрои само след като напрежението на клетката се е повишило до точка, в която токът на зареждане започва да намалява (постоянен ток / зареждане с постоянно напрежение).

В нашия експеримент с LiFePO₄, това се случва след 10 минути, когато продължителността се намалява от ефекта на шунта в глюкомера.

Знаем, че клетката се зарежда до 97% или повече от номиналния си капацитет след изтичане на 20 минути.

Освен това, токът на заряд на този етап е спаднал до 0,5 А. В резултат на това „пълно“ състояние на клетките ще бъде отчетено от бързо зарядно .

По време на процеса на бързо зареждане, клетъчните напрежения понякога се движат малко един от друг, но не над 20 mV.

Но за цялостния процес клетките завършиха зареждането едновременно.

Когато изпитвате бързо зареждане, клетките са склонни да се затоплят доста, като температурата донякъде изостава от зарядния ток.

Това може да се отдаде на загуби във вътрешното съпротивление на клетките.

Изключително важно е да се спазват мерките за безопасност при зареждане на LiFePO₄и не над предложеното напрежение за зареждане от 3,6 V.

Опитахме се да се промъкнем малко и се опитахме да „презаредим“ клетките с терминално напрежение 7,8 V (3,9 V на клетка).

Изобщо не се препоръчва това да се повтаря у дома.

Въпреки че нямаше странно поведение като пушене или изтичане и клетъчните напрежения също бяха почти равни, но общият резултат не изглеждаше твърде полезен.

• Разрядът от 3 C осигурява допълнителни 100 mAh и средното напрежение на разреждане е относително по-високо.
• Това, което искаме да кажем, е, че свръхзареждането води до малко повишаване на енергийната плътност от 103,6 Wh / kg до 104,6 Wh / kg.
• Не си струва обаче да понасяте рисковете и евентуално да подлагате живота на клетките на трайно увреждане.

Химия и оценки на батериите

Концепцията за прилагане на FePO₄нанотехнологията, заедно с химията на литиевата батерия, е да се повиши повърхността на електродите, върху която могат да се осъществят реакции.

Има място за бъдещи иновации в графитния анод (отрицателен терминал) изглежда облачно, но по отношение на катода има значителен напредък.

На катода съединения (обикновено оксиди) на преходните метали се използват за улавяне на йони. Метали като манган, кобалт и никел, които се използват от катодите, са в масово производство.

Освен това всеки от тях има своите плюсове и минуси. Производителят е избрал желязо, особено железен фосфат (FePO4), в който са открили катоден материал, който дори при по-ниски напрежения е достатъчно функционален, за да издържи екстремен капацитет на батерията.

На първо място, Li-Ion батериите са химически стабилни само в малък диапазон на напрежение от 2,3 V до 4,3 V. В двата края на този диапазон са необходими помирения за срокове на експлоатация. На практика горната граница от 4,2 V се счита за приемлива, докато 4,1 V се препоръчва за продължителен живот.

Конвенционални литиеви батерии, които са съставени от няколко клетки, свързани последователно останете в границите на напрежението чрез електронни добавки като балансьори , еквалайзери или прецизни ограничители на напрежението.

Сложността на тези вериги се увеличава с увеличаване на зарядните токове, което води до допълнителни загуби на мощност. За потребителите тези устройства за зареждане не са много за предпочитане, тъй като те предпочитат клетки, които могат да издържат на дълбоко разреждане.

Освен това потребителите биха искали и широк температурен диапазон и възможност за бързо зареждане. Всички те поставят нанотехнологията FePO₄базиран на LiFePO₄клетките стават фаворити в иновацията на Li-Ion батериите.

Предварителни заключения

Поради техните сложни криви на напрежение на разряд, които закрепват изпълнението на индустриални приложения с висок ток, LiFePO₄или FePO₄-катодни Li-Ion клетки са много желателни.

Те не само имат значително по-голяма енергийна плътност от конвенционалните Li-Ion клетки, но и изключително висока плътност на мощността.

Комбинацията от ниско вътрешно съпротивление и ниско тегло предвещава добре заместващите клетки в зависимост от никел или олово при приложения с висока мощност.

Обикновено клетките не могат да издържат на непрекъснат разряд при 30 C, без да изпитват опасно повишаване на температурата. Това е неблагоприятно, защото не бихте искали клетка от 2,3 Ah да се разреди при 70 A само за две минути. При този тип приложения потребителят получава по-широки възможности от традиционните литиеви клетки.

От друга страна, има непрекъснато търсене на по-бързо зареждане, особено ако продължителността на зареждането може да бъде драстично намалена. Вероятно това е една от причините, поради които LiFePO₄клетки се предлага в професионални перфоратори с 36 V (клетки от 10 серии).

Литиевите клетки се използват най-добре в хибридни и екологични автомобили. Използвайки само четири FePO₄клетки (13,2 V) в батерия дава 70% по-малко тегло от оловно-киселинна батерия. Подобреният жизнен цикъл на продукта и значително по-високата енергия на върха на плътността на мощността подкрепиха развитието на хибридно превозно средство технология до голяма степен при превозни средства с нулеви емисии.