Specifikace nabíjení / vybíjení baterie LiFePO4, vysvětlené výhody

Zatímco baterie Li-Ion a Lithium polymerní elektrolyt (LiPo) mají nepřekonatelnou hustotu energie, výroba lithiových baterií je nákladná a vyžaduje pečlivé zacházení spolu s opatrným nabíjením.

S pokrokem v nanotechnologiích došlo u výrobního procesu katodové elektrody pro tyto baterie k podstatnému zlepšení.

Průlom s vysoce nabitým LiFePO založeným na nanotechnologiích₄buňky jsou pokročilejší než tradiční Li-ion nebo Lipo články.

Zjistíme více:

Co je LiFePO₄baterie

Lithium železo fosfátová baterie (LiFePO₄baterie) nebo LFP baterie (lithium ferrofosfát), je forma lithium-iontová baterie který zaměstnává LiFePO₄jako materiál katody (uvnitř baterií tato katoda tvoří kladnou elektrodu) a grafitovou uhlíkovou elektrodu s kovovým nosičem tvořícím anodu.

Hustota energie LiFePO₄je menší ve srovnání s konvenční chemií oxidu lithného a kobaltu (LiCoO 2) a má menší pracovní napětí.

Nejdůležitější nevýhoda LiFePO₄je jeho snížená elektrická vodivost. Výsledkem je, že každý z LiFePO₄katody jsou ve skutečnosti LiFePO₄/ C.

Díky levnějším nákladům, minimální toxicitě, přesně specifikovanému výkonu, rozsáhlé stabilitě atd. LiFePO₄se stala populární v řadě aplikací na vozidlech, stacionárních aplikacích v měřítku a také v aplikacích s měniči a převaděči.

Výhody LiFePO₄baterie

Nanofosfátové články využívají výhody tradičních lithiových článků a spojují je s výhodami sloučenin na bázi niklu. To vše se děje bez nevýhod obou stran.

Tyto ideální NiCd baterie mít několik výhod jako:

• Bezpečnost - Jsou nehořlavé, takže není nutný ochranný obvod.
• Robustní - baterie mají vysokou životnost a standardní způsob nabíjení.
• Vysoká tolerance vůči těžkým nákladům a rychlé nabíjení.
• Mají konstantní výbojové napětí (plochá výbojová křivka).
• Vysoké napětí článků a nízké samovybíjení
• Vynikající výkon a kompaktní hustota energie

Rozdíl mezi LiFePO₄a Li-Ion baterie

Konvenční Li-ion články jsou vybaveny minimálním napětím 3,6 V a nabíjecím napětím 4,1 V. U obou těchto napětí existuje rozdíl 0,1 V u různých výrobců. To je hlavní rozdíl.

Nanofosfátové články mají jmenovité napětí 3,3 V a potlačené nabité napětí 3,6 V. Normální kapacita 2,3 Ah je zcela běžná, když se postaví proti kapacitě 2,5 nebo 2,6 Ah nabízené standardními články Li-Ion.

Čím výraznější odlišnost je v hmotnosti. Nanofosfátový článek váží pouze 70 g, zatímco jeho protějšek, Li-Ion článek Sony nebo Panasonic, má hmotnost 88 ga 93 g.

Hlavní důvod je uveden na obrázku 1, kde je pouzdro pokročilého nanofosfátového článku vyrobeno z hliníku, nikoli z ocelového plechu.

Kromě toho to má oproti konvenčním článkům další výhodu, protože hliník lépe zlepšuje vedení tepla z článku.

Dalším inovativním designem je pouzdro, které tvoří kladný pól buňky. Je postaven z tenké vrstvy feromagnetického materiálu, který tvoří skutečné kontakty.

Specifikace nabíjení / vybíjení a práce

Abyste předešli předčasnému poškození baterie, doporučujeme použít maximální povolený nabíjecí proud / napětí pro případ, že byste potřebovali ověřit specifikace z datového listu.

Náš malý experiment odhalil, že se vlastnosti baterie změnily. Při každém cyklu nabíjení / vybíjení jsme zaznamenali pokles kapacity kolem 1 mAh (0,005%) minimální kapacity.

Nejprve jsme se pokusili nabít náš LiFePO₄článku na plný 1 C (2,3 A) a nastavte vybíjecí hodnotu na 4 C (9,2 A). Úžasně během celé nabíjecí sekvence nedošlo k žádnému zvýšení teploty článku. Během vybíjení se však teplota zvýšila z 21 ° C na 31 ° C.

Výbojová zkouška na 10 ° C (23 A) proběhla dobře se zaznamenaným nárůstem teploty článku o 49 ° C. Jakmile napětí článku pokleslo na 4 V (měřeno při zatížení), baterie poskytovala průměrné vybíjecí napětí (Um) 5,68 V nebo 2,84 V na každém článku. Energetická hustota byla vypočítána na 94 Wh / kg.

Při stejném rozsahu velikostí představuje buňka Sony 26650VT vyšší střední napětí 3,24 V při 10 C výboji s nižší hustotou energie 89 Wh / kg.

To je nižší hodnota než LiFePO₄hustota buněk. Rozdíl lze připsat snížené hmotnosti buněk. Ale LiFePO₄buňky mají výrazně nižší výkon než články LiPo.

Ten se často používá pro modelování obvodů a mají střední výbojové napětí 3,5 V nebo více při 10 C. Z hlediska hustoty energie mají články LiPo také navrch s rozsahy mezi 120 Wh / kg a 170 Wh / kg .

Při našem dalším vyšetření jsme plně nabili LiFePO₄buňky při 1 ° C a později je ochladí na -8 ° C. K následnému výboji při 10 ° C došlo při pokojové teplotě, která se pohybovala kolem 23 ° C.

Poté se povrchová teplota buněk zvýšila na 9 ° C. Přesto musela být vnitřní teplota buňky výrazně nižší, i když její přímé měření nebylo možné.

Na obrázku 2 můžete vidět, že se na začátku ponořilo koncové napětí (červená čára) chlazených článků. Jak teplota stoupala, vrátila se na stejnou úroveň, jako kdyby byl test prováděn s buňkami při teplotě okolí.

Překvapivě je rozdíl v konečné teplotě nízký (47 ° C proti 49 ° C). Je to proto, že vnitřní odpor buněk závisí na teplotě. To znamená, že když jsou články studené (nízká teplota), je vnitřně rozptýleno podstatně více energie.

Další vyšetření souviselo s vybíjecím proudem, kde se zvýšil na 15 C (34,5 A), články vykazovaly více než svou minimální kapacitu, protože teplota vystupňovala na 53 ° C z 23 ° C.

Testování kapacity extrémního proudu LiFePO₄Buňky

Na obrázku 3 jsme vám ukázali jednoduchou konfiguraci obvodu. K měření špičkových úrovní proudu jsme použili obvod s nízkým odporem.

Kombinace odporů včetně bočníkového odporu 1 mΩ, zabudovaného odporu proudového jímky 100 A a jeho přidružených prvků (kabelové odpory a kontaktní odpory v konektoru MPX).

Extrémně nízký odpor zabraňoval vybití jediného náboje z více než 65 A.

Proto jsme se pokusili delegovat měření vysokého proudu pomocí dvou buněk v sérii jako předtím. Díky tomu jsme mohli měřit napětí mezi články pomocí multimetru.

Potopení proudu v tomto experimentu mohlo být přetíženo kvůli jmenovitému proudu buňky 120 A. Omezením rozsahu našeho vyhodnocení jsme sledovali teplotní vzestupy při 15 ° C výboji.

To ukázalo, že není vhodné testovat články najednou při jejich jmenovité rychlosti nepřetržitého vybíjení 30 C (70 A).

Existují podstatné důkazy, že povrchová teplota článku 65 ° C během výboje je horní mezí bezpečnosti. Takže jsme sestavili výsledný plán vypouštění.

Nejprve se při teplotě 69 A (30 ° C) buňky vybíjí po dobu 16 sekund. Poté následovaly střídavé „zotavovací“ intervaly 11,5 A (5 ° C) po dobu půl minuty.

Poté následovaly 10sekundové impulsy při 69 A. Nakonec, když bylo dosaženo buď minimálního vybíjecího napětí nebo maximální přípustné teploty, byl výboj ukončen. Obrázek 4 zobrazuje výsledky, které byly získány.

Během vysokých intervalů zatížení terminální napětí rychle pokleslo, což znamená, že lithiové ionty uvnitř článků mají omezený a pomalý pohyb.

Přesto se buňka během intervalů s nízkým zatížením rychle zlepšuje. I když napětí pomalu klesá, když je článek vybitý, můžete se setkat s podstatně méně přesnými poklesy napětí vyšší zátěží, jak se zvyšuje teplota článku.

Tím se potvrdí, jak je teplota závislá na vnitřním odporu článku.

Zaznamenali jsme vnitřní odpor vůči DC, který byl asi 11 mΩ (datový list představuje 10 mΩ), když je článek napůl vybitý.

Když se článek zcela vybil, teplota vzrostla na 63 ° C, což jej vystavuje bezpečnostním rizikům. Je to proto, že pro články neexistuje žádné další chlazení, proto jsme přestali pokračovat v testování s delšími pulzy s vysokým zatížením.

Baterie v tomto testu poskytla výstup 2320 mAh, který byl větší než nominální kapacita.

S maximálním rozdílem mezi napětím článků při 10 mV byla shoda mezi nimi během testu vynikající.

Výboj při plném zatížení byl zastaven, když koncové napětí dosáhlo 1 V na článek.

O minutu později jsme viděli obnovení napětí 2,74 V naprázdno na každém z článků.

Test rychlého nabíjení

Testy rychlého nabíjení byly prováděny při 4 ° C (9,2 A) bez zabudování elektronického vyvažovače, ale neustále jsme kontrolovali napětí jednotlivých článků.

Při použití olověné baterie , můžeme nastavit pouze počáteční nabíjecí proud z důvodu maximálního a omezeného napětí dodávaného nabíječkou.

Nabíjecí proud lze také nastavit až poté, co napětí článku vzrostlo do bodu, kdy se nabíjecí proud začne snižovat (nabíjení konstantním proudem / konstantním napětím).

V našem experimentu s LiFePO₄, k tomu dojde po 10 minutách, kdy je doba trvání zkrácena účinkem bočníku v měřiči.

Víme, že článek je nabitý na 97% nebo více své nominální kapacity po uplynutí 20 minut.

Kromě toho nabíjecí proud v této fázi poklesl na 0,5 A. Výsledkem je, že „plný“ stav článků bude hlášen rychlá nabíječka .

Během procesu rychlého nabíjení se napětí článků někdy od sebe trochu pohybovala, ale ne nad 20 mV.

Ale jako celek procesu skončily nabíjení článků ve stejnou dobu.

Když dojde k rychlému nabíjení, buňky mají tendenci se trochu zahřívat, přičemž teplota poněkud zaostává za nabíjecím proudem.

To lze připsat ztrátám vnitřního odporu buněk.

Při nabíjení LiFePO je zásadní dodržovat bezpečnostní opatření₄a ne nad doporučené nabíjecí napětí 3,6 V.

Snažili jsme se trochu proklouznout kolem a pokusili jsme se „přebití“ článků koncovým napětím 7,8 V (3,9 V na článek).

Vůbec se nedoporučuje opakovat to doma.

Ačkoli nedošlo k žádnému podivnému chování, jako je kouření nebo prosakování, a napětí buněk bylo také téměř stejné, celkový výsledek se však nezdá být příliš prospěšný.

• Výboj 3 C dodával dalších 100 mAh a střední výbojové napětí bylo relativně vyšší.
• Chceme říct, že přebíjení způsobuje malé zvýšení energetické hustoty od 103,6 Wh / kg do 104,6 Wh / kg.
• Nestojí však za to snášet rizika a případně vystavit život buněk trvalému poškození.

Chemie baterií a hodnocení

Koncept aplikace FePO₄nanotechnologie spolu s chemií lithiové baterie má zvednout povrch elektrod, přes který mohou probíhat reakce.

Prostor pro budoucí inovace v grafitové anodě (záporný pól) vypadá zataženě, ale pokud jde o katodu, došlo k podstatnému pokroku.

Na katodě jsou sloučeniny (obvykle oxidy) přechodných kovů využívány pro iontové zachycení. Kovy jako mangan, kobalt a nikl, které jsou používány katodami, byly v masové výrobě.

Navíc každý z nich má svá příslušná klady a zápory. Výrobce se rozhodl pro železo, zejména fosforečnan železitý (FePO4), ve kterém objevil katodový materiál, který je i při nižším napětí dostatečně funkční, aby vydržel extrémní kapacitu baterie.

Li-Ion baterie jsou primárně chemicky stabilní pouze v malém rozsahu napětí 2,3 V až 4,3 V. Na obou koncích tohoto rozsahu je z hlediska životnosti nutné určité vyrovnání. Prakticky se horní hranice 4,2 V považuje za přijatelnou, zatímco 4,1 V se doporučuje pro prodlouženou životnost.

Konvenční lithiové baterie, z nichž je vyroben několik buněk zapojených do série zůstaňte v mezích napětí prostřednictvím elektronických doplňků, jako je vyvažovače , ekvalizéry nebo přesné omezovače napětí.

S rostoucím nabíjecím proudem se zvyšuje složitost těchto obvodů, což vede k dalším ztrátám výkonu. Pro uživatele tato nabíjecí zařízení nejsou příliš výhodná, protože by raději upřednostňovali články, které vydrží hluboké vybití.

Uživatelé by dále chtěli také široký teplotní rozsah a možnost rychlého nabíjení. To vše dalo nano-technologii FePO₄založené na LiFePO₄články se stávají oblíbenými v inovaci Li-Ion baterií.

Předběžné závěry

Kvůli jejich komplikovaně plochým křivkám výbojového napětí, které zakotvují provádění silnoproudých průmyslových aplikací, LiFePO₄nebo FePO₄-katodové Li-Ion články jsou velmi žádoucí.

Nejen, že mají podstatně větší hustotu energie než běžné Li-Ion články, ale také mimořádně vysokou hustotu energie.

Kombinace nízkého vnitřního odporu a nízké hmotnosti je vhodná pro náhradní články v závislosti na obsahu niklu nebo olova ve vysoce výkonných aplikacích.

Články obvykle nemohou vydržet nepřetržitý výboj při 30 ° C, aniž by došlo k nebezpečnému zvýšení teploty. To je nevýhodné, protože byste nechtěli, aby se článek 2,3 Ah vybil při 70 A za pouhé dvě minuty. V tomto typu aplikací získá uživatel širší možnosti než tradiční lithiové články.

Na druhé straně je trvalá poptávka po rychlejším nabíjení, zvláště pokud lze drasticky zkrátit dobu nabíjení. Pravděpodobně to je jeden z důvodů, proč LiFePO₄článků je k dispozici v profesionálních příklepových vrtačkách 36 V (články řady 10).

Lithiové články se nejlépe používají v hybridních a ekologických automobilech. Pomocí pouhých čtyř FePO₄článků (13,2 V) v baterii poskytuje o 70% nižší hmotnost než olověná baterie. Vylepšený životní cyklus produktu a výrazně vyšší energie navíc k hustotám energie podpořily vývoj hybridní vozidlo technologie převážně ve vozidlech s nulovými emisemi.