Špecifikácie nabíjania / vybíjania batérie LiFePO4, vysvetlené výhody

Zatiaľ čo batérie typu Li-Ion a Lítium polymérny elektrolyt (LiPo) majú neprekonateľnú hustotu energie, výroba batérií na báze lítia je nákladná a vyžaduje ich dôkladné zaobchádzanie spolu s opatrným nabíjaním.

S pokrokom v oblasti nanotechnológií došlo k podstatnému zlepšeniu výrobného procesu katódovej elektródy pre tieto batérie.

Preraz v LiFePO s vysokým zaťažením na báze nanotechnológií₄bunky sú pokrokovejšie ako tradičné Li-ion alebo Lipo články.

Dozvieme sa viac:

Čo je to LiFePO₄Batéria

Lítium železo fosfátová batéria (LiFePO₄batéria) alebo LFP batéria (lítium ferofosfát), je formou lítium-iónová batéria ktorá zamestnáva LiFePO₄ako katódový materiál (vo vnútri batérií táto katóda predstavuje kladnú elektródu) a grafitovú uhlíkovú elektródu s kovovým nosičom tvoriacim anódu.

Energetická hustota LiFePO₄je menší v porovnaní s konvenčnou chémiou oxidu lítneho a kobaltnatého (LiCoO 2) a má menšie pracovné napätie.

Najdôležitejšia nevýhoda LiFePO₄je jeho znížená elektrická vodivosť. Výsledkom je, že každý z LiFePO₄katódy sú v skutočnosti LiFePO₄/ C.

Vďaka lacnejším nákladom, minimálnej toxicite, presne stanovenému výkonu, rozsiahlej stabilite atď. LiFePO₄sa stal populárnym v mnohých aplikáciách založených na vozidlách, stacionárnych aplikáciách v priemyselnom meradle a tiež v aplikáciách meničov a prevodníkov.

Výhody LiFePO₄Batéria

Nanofosfátové články využívajú výhody tradičných lítiových článkov a spájajú ich s výhodami zlúčenín na báze niklu. To všetko sa deje bez toho, aby sme čelili nevýhodám oboch strán.

Tieto ideálne NiCd batérie mať niekoľko výhod ako:

• Bezpečnosť - Sú nehorľavé, takže nie je potrebný ochranný obvod.
• Robustné - batérie majú vysokú životnosť a štandardný spôsob nabíjania.
• Vysoká tolerancia voči ťažkým nákladom a rýchle nabíjanie.
• Majú konštantné výbojové napätie (plochá výbojová krivka).
• Vysoké napätie článkov a nízke samovybíjanie
• Vynikajúci výkon a kompaktná hustota energie

Rozdiel medzi LiFePO₄a Li-Ion batéria

Konvenčné Li-ion články sú vybavené minimálnym napätím 3,6 V a nabíjacím napätím 4,1 V. U obidvoch týchto napätí je u rôznych výrobcov rozdiel 0,1 V. To je hlavný rozdiel.

Nanofosfátové články majú nominálne napätie 3,3 V a potlačené nabité napätie 3,6 V. Normálna kapacita 2,3 Ah je celkom bežná, ak sa porovná s kapacitou 2,5 alebo 2,6 Ah, ktorú ponúkajú štandardné články Li-Ion.

Najvýraznejšia odlišnosť je v hmotnosti. Nanofosfátový článok váži iba 70 g, zatiaľ čo jeho náprotivok, Sony alebo Panasonic Li-Ion článok, má hmotnosť 88 g, respektíve 93 g.

Hlavný dôvod je uvedený na obrázku 1, kde je plášť pokrokového nanofosfátového článku vyrobený z hliníka, a nie z oceľového plechu.

Okrem toho to má oproti bežným článkom ďalšiu výhodu, pretože hliník lepšie zlepšuje vedenie tepla z článku.

Ďalším inovatívnym dizajnom je puzdro, ktoré tvorí kladný pól bunky. Je vyrobený z tenkej vrstvy feromagnetického materiálu, ktorý vytvára skutočné kontakty.

Špecifikácia nabíjania / vybíjania a práca

Aby ste predišli predčasnému poškodeniu batérie, odporúčame použiť maximálny povolený nabíjací prúd / napätie pre prípad, že by ste potrebovali overiť špecifikácie z údajového listu.

Náš malý experiment odhalil, že sa vlastnosti batérie zmenili. Pri každom cykle nabíjania / vybíjania sme zaznamenali pokles kapacity okolo 1 mAh (0,005%) minimálnej kapacity.

Najprv sme sa pokúsili nabiť náš LiFePO₄článku na plný 1 C (2,3 A) a nastavte vybíjaciu hodnotu na 4 C (9,2 A). Úžasne počas celej nabíjacej sekvencie nedošlo k zvýšeniu teploty článku. Počas vybíjania sa však teplota zvýšila z 21 ° C na 31 ° C.

Test vybíjania na 10 ° C (23 A) prebehol dobre so zaznamenaným zvýšením teploty článku o 49 ° C. Akonáhle sa napätie článku znížilo na 4 V (merané pri zaťažení), batéria poskytovala stredné vybíjacie napätie (Um) na úrovni 5,68 V alebo 2,84 V na každom článku. Energetická hustota bola vypočítaná na 94 Wh / kg.

Pri rovnakom rozsahu veľkostí predstavuje článok Sony 26650VT vyššie stredné napätie 3,24 V pri 10 C výboji s nižšou hustotou energie 89 Wh / kg.

To je menej ako v prípade LiFePO₄hustota bunky. Rozdiel možno pripísať zníženej bunkovej hmotnosti. Ale, LiFePO₄bunky majú výrazne nižší výkon ako články LiPo.

Posledne menovaný sa často používa na modelovanie obvodov a majú stredné výbojové napätie 3,5 V alebo viac pri 10 C. Z hľadiska hustoty energie majú články LiPo tiež prevahu s rozsahmi medzi 120 Wh / kg a 170 Wh / kg .

Pri našom ďalšom vyšetrení sme plne nabili LiFePO₄buniek pri 1 ° C a ochladili ich neskôr na -8 ° C. Nasledujúci výboj pri 10 ° C nastal pri izbovej teplote, ktorá bola okolo 23 ° C.

Potom sa povrchová teplota buniek zvýšila na 9 ° C. Napriek tomu musela byť vnútorná teplota bunky podstatne nižšia, aj keď nebolo možné jej priame meranie.

Na obrázku 2 môžete vidieť, že sa na začiatku ponorilo koncové napätie (červená čiara) chladených článkov. Keď teplota stúpala, vrátila sa na rovnakú úroveň, ako keby sa test uskutočňoval s bunkami pri teplote okolia.

Prekvapivo je rozdiel v konečnej teplote malý (47 ° C proti 49 ° C). Je to tak preto, lebo vnútorný odpor buniek závisí od teploty. To znamená, že keď sú články studené (nízka teplota), vnútorne sa rozptýli podstatne viac energie.

Nasledujúce preskúmanie sa týkalo vybíjacieho prúdu, pri ktorom sa zvýšil na 15 ° C (34,5 A), pričom články vykazovali viac ako svoju minimálnu kapacitu, keď teplota vystúpila na 53 ° C z 23 ° C.

Testovanie kapacity extrémneho prúdu LiFePO₄Bunky

Jednoduchú konfiguráciu obvodu sme vám ukázali na obrázku 3. Na meranie špičkových úrovní prúdu sme použili obvod s nízkym odporom.

Kombinácia odporov vrátane bočného odporu 1 mΩ, vstavaného odporu prúdového prúdu 100 A a jeho pridružených prvkov (káblové odpory a kontaktné odpory v konektore MPX).

Extrémne nízky odpor zabránil vybitiu jedného náboja v prechode nad 65 A.

Preto sme sa pokúsili delegovať merania vysokého prúdu pomocou dvoch buniek v sérii ako predtým. Z tohto dôvodu sme mohli merať napätie medzi článkami pomocou multimetra.

Potok prúdu v tomto experimente mohol byť preťažený kvôli menovitému prúdu bunky 120 A. Obmedzením rozsahu nášho vyhodnotenia sme monitorovali teplotné zvýšenia pri výboji 15 ° C.

To ukázalo, že nie je vhodné testovať články naraz pri ich menovitej rýchlosti nepretržitého vybíjania 30 C (70 A).

Existujú značné dôkazy, že povrchová teplota článku 65 ° C počas vybíjania je hornou hranicou bezpečnosti. Takže sme zostrojili výsledný harmonogram vypúšťania.

Najskôr sa pri 69 A (30 ° C) bunky vybijú počas 16 sekúnd. Potom nasledovalo striedanie „zotavovacích“ intervalov 11,5 A (5 ° C) po dobu pol minúty.

Potom nasledovali 10-sekundové impulzy pri 69 A. Nakoniec, keď bolo dosiahnuté buď minimálne výbojové napätie, alebo maximálna prípustná teplota, bola výbojová prevádzka ukončená. Obrázok 4 zobrazuje získané výsledky.

Počas vysokých intervalov zaťaženia koncové napätie rýchlo kleslo, čo znamená, že lítiové ióny vo vnútri článkov majú obmedzený a pomalý pohyb.

Napriek tomu sa bunka rýchlo zlepšuje v intervaloch pri nízkom zaťažení. Aj keď pri vybití článku napätie pomaly klesá, pri vyšších zaťaženiach môžete nájsť podstatne menej presné poklesy napätia pri zvyšovaní teploty článku.

To potvrdzuje, ako je teplota závislá od vnútorného odporu článku.

Zaznamenali sme vnútorný odpor voči DC, ktorý bol asi 11 mΩ (údajový list predstavuje 10 mΩ), keď je článok nabitý na polovicu.

Keď sa článok úplne vybil, teplota vystúpila na 63 ° C, čo ho vystavuje bezpečnostným rizikám. Je to z toho dôvodu, že bunky nie sú nijako chladené, a preto sme prestali pokračovať v testovaní dlhšími impulzmi s vysokým zaťažením.

Batéria v tomto teste poskytovala výstup 2320 mAh, ktorý bol väčší ako nominálna kapacita.

S maximálnym rozdielom medzi napätím článkov pri 10 mV bolo zhoda medzi nimi vynikajúca počas celého testu.

Výboj pri plnom zaťažení sa zastavil, keď koncové napätie dosiahlo 1 V na článok.

O minútu neskôr sme videli obnovenie napätia 2,74 V v otvorenom obvode nad každým z článkov.

Test rýchleho nabíjania

Testy rýchleho nabíjania sa uskutočňovali pri 4 ° C (9,2 A) bez zabudovania elektronického vyvažovača, ale neustále sme kontrolovali napätie jednotlivých článkov.

Pri použití olovené batérie , môžeme nastaviť iba počiatočný nabíjací prúd z dôvodu maximálneho a obmedzeného napätia dodávaného nabíjačkou.

Nabíjací prúd je tiež možné nastaviť až potom, čo napätie článku vzrástlo na miesto, kde sa nabíjací prúd začne znižovať (nabíjanie konštantným prúdom / konštantným napätím).

V našom experimente s LiFePO₄, stane sa to po 10 minútach, keď sa trvanie zníži účinkom skratu v merači.

Vieme, že článok je po uplynutí 20 minút nabitý na 97% alebo viac svojej nominálnej kapacity.

Ďalej nabíjací prúd v tejto fáze klesol na 0,5 A. Výsledkom bude, že „plný“ stav článkov bude hlásený rýchlonabíjačka .

Počas celého procesu rýchleho nabíjania sa napätie článkov niekedy od seba trochu pohybovalo, nie však nad 20 mV.

Ale ako celok procesu sa články nabíjali súčasne.

Keď dôjde k rýchlemu nabíjaniu, bunky majú tendenciu sa dosť zahrievať, pričom teplota trochu zaostáva za nabíjacím prúdom.

To možno pripísať stratám vnútorného odporu buniek.

Pri nabíjaní LiFePO je bezpodmienečne nutné dodržiavať bezpečnostné opatrenia₄a nie nad navrhované nabíjacie napätie 3,6 V.

Snažili sme sa trochu preplížiť a pokúsili sme sa bunky „prebíjať“ koncovým napätím 7,8 V (3,9 V na článok).

To sa vôbec neodporúča opakovať doma.

Aj keď nedošlo k žiadnemu zvláštnemu správaniu, ako je fajčenie alebo presakovanie, a napätie buniek bolo tiež takmer rovnaké, celkový výsledok sa nezdal byť príliš priaznivý.

• 3 C výboj dodával ďalších 100 mAh a stredné výbojové napätie bolo relatívne vyššie.
• Chceme povedať, že prebíjanie spôsobuje malé zvýšenie energetickej hustoty od 103,6 Wh / kg do 104,6 Wh / kg.
• Nestojí však za to znášať riziká a prípadne vystaviť život buniek trvalému poškodeniu.

Chémia a hodnotenie batérií

Koncepcia uplatňovania FePO₄nanotechnológia spolu s chémiou lítiovej batérie má zdvihnúť povrch elektród, nad ktorým môžu prebiehať reakcie.

Priestor pre budúce inovácie v grafitovej anóde (záporný pól) vyzerá zakalene, ale pokiaľ ide o katódu, došlo k podstatnému pokroku.

Na katóde sa na zachytávanie iónov používajú zlúčeniny (typicky oxidy) prechodných kovov. Kovy ako mangán, kobalt a nikel, ktoré sa používajú v katódach, sa masovo vyrábali.

Každý z nich má navyše svoje klady a zápory. Výrobca sa rozhodol pre železo, najmä fosforečnan železitý (FePO4), v ktorom objavili katódový materiál, ktorý je už pri nižšom napätí dostatočne funkčný na to, aby vydržal extrémnu kapacitu batérie.

Batérie Li-Ion sú predovšetkým chemicky stabilné iba v malom rozsahu napätia 2,3 V až 4,3 V. Na oboch koncoch tohto rozsahu je kvôli životnosti potrebné určité vyrovnanie. Prakticky sa horná hranica 4,2 V považuje za prijateľnú, zatiaľ čo 4,1 V sa odporúča na predĺženie životnosti.

Bežné lítiové batérie, ktoré sú vyrobené z niekoľko článkov zapojených do série zostať v medziach napätia prostredníctvom elektronických doplnkov ako vyvažovačky , ekvalizéry alebo presné obmedzovače napätia.

Zložitosť týchto obvodov sa zvyšuje so zvyšovaním nabíjacích prúdov, čo vedie k ďalším stratám výkonu. Pre používateľov nie sú tieto nabíjacie zariadenia príliš výhodné, pretože by uprednostňovali články, ktoré vydržia hlboké vybitie.

Používatelia by ďalej chceli tiež široký teplotný rozsah a možnosť rýchleho nabíjania. To všetko predstavuje nanotechnológiu FePO₄založené na LiFePO₄články sa stávajú obľúbenými v inovácii Li-Ion batérií.

Predbežné závery

Kvôli svojim komplikovane plochým krivkám výbojového napätia, ktoré zakotvujú vykonávanie vysokoprúdových priemyselných aplikácií, LiFePO₄alebo FePO₄-katódy Li-Ion články sú veľmi žiaduce.

Nielenže majú podstatne vyššiu hustotu energie ako bežné Li-Ion články, ale aj mimoriadne vysokú hustotu energie.

Kombinácia nízkeho vnútorného odporu a nízkej hmotnosti dobre slúži na výmenu článkov v závislosti od niklu alebo olova pri vysokovýkonných aplikáciách.

Články typicky nemôžu vydržať nepretržité vybíjanie pri 30 ° C bez nebezpečného zvýšenia teploty. To je nevýhodné, pretože by ste nechceli, aby sa článok 2,3 Ah vybil pri 70 A iba za dve minúty. V tomto type aplikácií získa používateľ širšie možnosti ako tradičné lítiové články.

Na druhej strane je tu neustála požiadavka na rýchlejšie nabíjanie, najmä ak je možné drasticky skrátiť dobu nabíjania. Pravdepodobne to je jeden z dôvodov, prečo LiFePO₄články je k dispozícii v 36 V (články série 10) profesionálnych príklepových vŕtačiek.

Lítiové články sa najlepšie uplatňujú v hybridných a ekologických automobiloch. Používa iba štyri FePO₄článkov (13,2 V) v batérii poskytuje o 70% nižšiu hmotnosť ako olovená batéria. Vylepšený životný cyklus produktu a výrazne vyššia energia navyše k hustote energie podporili vývoj produktu hybridné vozidlo technológie vo vozidlách s nulovými emisiami.