LiFePO4 akumulatoru uzlādēšanas / izlādes specifikācijas, izskaidrotās priekšrocības

Kamēr litija jonu un litija polimēru elektrolītu (LiPo) akumulatoriem ir nepārspējams enerģijas blīvums, uz litija bāzes bateriju ražošana ir dārga un ar rūpīgu apstrādi, kā arī piesardzīgu uzlādi.

Ar nanotehnoloģiju attīstību šo bateriju katoda elektroda ražošanas process ir ievērojami uzlabojies.

Izrāviens caur nanotehnoloģijām balstītu augstas slodzes LiFePO₄šūnas ir attīstītākas nekā tradicionālās Li-ion vai Lipo šūnas.

Uzzināsim vairāk:

Kas ir LiFePO₄Akumulators

Litija dzelzs fosfāta akumulators (LiFePO₄akumulators) vai LFP akumulators (litija ferofosfāts) ir litija jonu akumulators kas nodarbina LiFePO₄kā katoda materiāls (bateriju iekšpusē šis katods veido pozitīvo elektrodu) un grafīta oglekļa elektrodu ar metāla balstu, kas veido anodu.

LiFePO enerģijas blīvums₄ir mazāks, salīdzinot ar parasto litija kobalta oksīda (LiCoO 2) ķīmiju, kā arī tam ir mazāks darba spriegums.

Vissvarīgākais LiFePO trūkums₄ir tā samazinātā elektrovadītspēja. Tā rezultātā ikviens no LiFePO₄katodi ir faktiski LiFePO₄/ C.

Pateicoties lētākām izmaksām, minimālai toksicitātei, precīzi noteiktai veiktspējai, lielai stabilitātei utt. LiFePO₄ir kļuvis populārs gan uz transportlīdzekļiem balstītu lietojumu, gan stacionāru lietojumprogrammu mērogā, gan arī invertoru, pārveidotāju lietojumos.

LiFePO priekšrocības₄Akumulators

Nano fosfāta šūnas pārspēj tradicionālo litija šūnu priekšrocības un apvieno tās ar niķeļa bāzes savienojumu priekšrocībām. Tas viss notiek, nepiedzīvojot nevienas puses trūkumus.

Šie ideāli NiCd akumulatori ir vairākas privilēģijas, piemēram:

• Drošība - tie nav viegli uzliesmojoši, tāpēc nav nepieciešama aizsardzības ķēde.
• Izturīgs - akumulatoriem ir liels darbības laiks un standarta uzlādes metode.
• Augsta tolerance pret lielām slodzēm un ātra uzlāde.
• Viņiem ir pastāvīgs izlādes spriegums (plakana izlādes līkne).
• Augsts šūnu spriegums un zema pašizlāde
• Lieliska jauda un kompakts enerģijas blīvums

Atšķirība starp LiFePO₄un litija jonu akumulatoru

Vispārpieņemtais Li-ion šūnas ir aprīkoti ar minimālo spriegumu 3,6 V un uzlādes spriegumu 4,1 V. Dažādiem ražotājiem abos šajos spriegumos ir 0,1 V atšķirība. Tā ir galvenā atšķirība.

Nanofosfāta šūnām ir nominālais spriegums 3,3 V un nomāktais uzlādētais spriegums 3,6 V. Parastā jauda 2,3 Ah ir diezgan izplatīta, ja to salīdzina ar 2,5 vai 2,6 Ah jaudu, ko piedāvā standarta litija jonu šūnas.

Svarīgāka atšķirība ir svarā. Nanfosfāta šūna sver tikai 70 g, savukārt tā kolēģa Sony vai Panasonic Li-Ion šūnu svars ir attiecīgi 88 g un 93 g.

Galvenais iemesls tam parādīts 1. attēlā, kur modernās nanofosfāta šūnas apvalks ir izgatavots no alumīnija, nevis no lokšņu tērauda.

Turklāt tam ir vēl viena priekšrocība salīdzinājumā ar parastajām šūnām, jo ​​alumīnijs labāk uzlabo siltuma vadīšanu no šūnas.

Vēl viens novatorisks dizains ir korpuss, kas veido šūnas pozitīvo spaili. Tas ir veidots ar plānu feromagnētiskā materiāla slāni, kas veido reālos kontaktus.

Uzlādes / izlādes specifikācijas un darbs

Lai novērstu priekšlaicīgu akumulatora bojājumu, iesakām izmantot maksimāli pieļaujamo uzlādes strāvu / spriegumu, ja jums ir jāpārbauda specifikācijas no datu lapas.

Mūsu nelielais eksperiments atklāja mainīto akumulatora īpašības. Katrā uzlādes / izlādes ciklā mēs reģistrējām jaudas kritumu aptuveni 1 mAh (0,005%) no minimālās jaudas.

Sākumā mēs mēģinājām iekasēt maksu no mūsu LiFePO₄šūnā pie pilnas 1 C (2,3 A) un iestatiet izlādes vērtību 4 C (9,2A). Pārsteidzoši, ka visā uzlādes secībā šūnu temperatūra nepalielinājās. Tomēr izlādes laikā temperatūra paaugstinājās no 21 ° C līdz 31 ° C.

10 ° C (23 A) izlādes tests noritēja labi, reģistrējot šūnu temperatūras paaugstināšanos par 49 ° C. Kad elementa spriegums ir samazināts līdz 4 V (mērot zem slodzes), akumulators nodrošina katras šūnas vidējo izlādes spriegumu (Um) 5,68 V vai 2,84 V. Tika aprēķināts, ka enerģijas blīvums ir 94 Wh / kg.

Tajā pašā izmēru diapazonā Sony 26650VT šūna uzrāda augstāku vidējo spriegumu 3,24 V pie 10 C izlādes un ar zemāku enerģijas blīvumu 89 Wh / kg.

Tas ir zemāks nekā LiFePO₄šūnas blīvums. Atšķirību var attiecināt uz samazinātu šūnu svaru. Bet, LiFePO₄šūnām ir ievērojami zemāka veiktspēja nekā LiPo šūnām.

Pēdējo bieži izmanto modelēšanas ķēdēs, un to vidējais izlādes spriegums pie 10 C ir 3,5 V vai lielāks. Attiecībā uz enerģijas blīvumu LiPo šūnām ir arī pārsvars ar diapazonu no 120 Wh / kg līdz 170 Wh / kg .

Nākamajā pārbaudē mēs pilnībā uzlādējām LiFePO₄šūnas 1 C temperatūrā un vēlāk tās atdzesēja līdz -8 ° C. Sekojošā izlāde 10 C temperatūrā notika istabas temperatūrā, kas ir aptuveni 23 ° C.

Šūnu virsmas temperatūra pēc tam bija paaugstinājusies līdz 9 ° C. Tomēr šūnas iekšējai temperatūrai jābūt ievērojami zemākai, lai gan tās tiešais mērījums nebija iespējams.

2. attēlā var redzēt sākumā atdalīto atdzesēto šūnu gala spriegumu (sarkano līniju). Temperatūrai paaugstinoties, tā atgriezās tajā pašā līmenī, it kā testu veiktu ar šūnām apkārtējā temperatūrā.

Pārsteidzoši, ka galīgās temperatūras starpība ir zema (47 ° C pret 49 ° C). Tas ir tāpēc, ka šūnu iekšējā pretestība ir atkarīga no temperatūras. Tas nozīmē, ka, ja šūnas ir aukstas (zema temperatūra), ievērojami vairāk enerģijas tiek izvadītas iekšēji.

Nākamais pētījums bija saistīts ar izlādes strāvu, kur tā palielinājās līdz 15 C (34,5 A), šūnām bija vairāk nekā minimālā jauda, ​​temperatūrai paaugstinoties līdz 23 ° C līdz 53 ° C.

LiFePO galējās pašreizējās jaudas pārbaude₄Šūnas

Mēs parādījām jums vienkāršu ķēdes konfigurāciju 3. attēlā. Mēs izmantojām zemas pretestības ķēdi, lai izmērītu maksimālo strāvas līmeni.

Pretestību kombinācija, ieskaitot 1 mΩ šunta rezistoru, 100 A strāvas izlietnes iebūvēto pretestību un tās saistītos elementus (kabeļa pretestības un kontakta pretestības MPX savienotājā).

Īpaši zema pretestība neļāva vienas uzlādes izlādei pārsniegt 65 A.

Tāpēc mēs mēģinājām deleģēt lielās strāvas mērījumus, izmantojot divas šūnas virknē tāpat kā iepriekš. Sakarā ar to mēs varētu izmērīt spriegumu starp šūnām, izmantojot multimetru.

Šī eksperimenta pašreizējā izlietne, iespējams, ir pārslogota, jo šūnas nominālā strāva ir 120 A. Ierobežojot mūsu novērtējuma apjomu, mēs novērojām temperatūras paaugstināšanos pie 15 C izlādes.

Tas parādīja, ka nav pareizi pārbaudīt šūnas vienlaikus ar to nominālo nepārtrauktās izlādes ātrumu 30 C (70 A).

Ir būtiski pierādījumi, ka šūnas virsmas temperatūra 65 ° C izlādes laikā ir drošības augšējā robeža. Tātad, mēs izveidojām iegūto izlaišanas grafiku.

Pirmkārt, 69 A (30 C) temperatūrā šūnas tiek izvadītas 16 sekundes. Pēc tam sekoja pārmaiņas “atkopšanas” intervālos 11,5 A (5 C) pusminūti.

Pēc tam bija 10 sekunžu impulsi pie 69 A. Visbeidzot, kad tika sasniegts vai nu minimālais izlādes spriegums, vai maksimālā pieļaujamā temperatūra, izlāde tika pārtraukta. 4. attēlā attēloti iegūtie rezultāti.

Visu lielo slodzes intervālu termināla spriegums ātri samazinājās, kas norāda, ka litija joniem šūnu iekšienē ir ierobežota un lēna kustība.

Tomēr šūna ātri uzlabojas zemas slodzes intervālos. Lai gan spriegums lēnām samazinās, kad šūna tiek izlādēta, palielinoties šūnas temperatūrai, jūs varat atrast ievērojami mazāk precīzus sprieguma kritumus ar lielākām slodzēm.

Tas apstiprina, kā temperatūra ir atkarīga no šūnas iekšējās pretestības.

Kad šūna ir puse izlādējusies, mēs reģistrējām iekšējo pretestību līdzstrāvai aptuveni 11 mΩ (datu lapā ir 10 mΩ).

Kad šūna bija pilnībā izlādējusies, temperatūra bija paaugstinājusies līdz 63 ° C, kas pakļauj to drošības riskiem. Tas ir tāpēc, ka šūnām nav papildu dzesēšanas, tāpēc mēs pārtraucām testēšanu ar garākiem augstas slodzes impulsiem.

Šajā testā akumulatora jauda bija 2320 mAh, kas pārsniedz nominālo jaudu.

Ar maksimālo atšķirību starp elementu spriegumiem pie 10 mV, visu testu laikā to savstarpējā atbilstība bija izcila.

Izlāde ar pilnu slodzi tika pārtraukta, kad sprieguma spriegums sasniedza 1 V uz šūnu.

Minūti vēlāk mēs redzējām 2,74 V atvērtās ķēdes sprieguma atjaunošanos virs katras šūnas.

Ātra uzlādes pārbaude

Ātrās uzlādes testi tika veikti 4 C temperatūrā (9,2 A), neiekļaujot elektronisko balansētāju, taču mēs pastāvīgi pārbaudījām atsevišķu šūnu spriegumu.

Lietojot svina-skābes akumulatori , mēs varam iestatīt sākotnējo uzlādes strāvu tikai lādētāja piegādātā maksimālā un ierobežotā sprieguma dēļ.

Arī uzlādes strāvu var iestatīt tikai pēc tam, kad šūnas spriegums ir pieaudzis līdz vietai, kur lādiņa strāva sāk samazināties (pastāvīga strāva / pastāvīga sprieguma uzlāde).

Mūsu eksperimentā ar LiFePO₄, tas notiek pēc 10 minūtēm, kad ilgums tiek samazināts ar šunta iedarbību skaitītājā.

Mēs zinām, ka pēc 20 minūtēm šūna tiek uzlādēta līdz 97% vai vairāk no tās nominālās jaudas.

Turklāt uzlādes strāva šajā posmā ir samazinājusies līdz 0,5 A. Tā rezultātā par šūnu pilno stāvokli ziņos ātrais lādētājs .

Visā ātrās uzlādes procesā šūnu spriegumi dažreiz nedaudz pārvietojās viens no otra, bet ne tālāk par 20 mV.

Bet kopumā procesa laikā šūnas vienlaicīgi pabeidza uzlādi.

Kad rodas ātra uzlāde, šūnas mēdz diezgan sasilt, temperatūrai nedaudz atpaliekot no uzlādes strāvas.

To var attiecināt uz šūnu iekšējās pretestības zudumiem.

Lādējot LiFePO, ir svarīgi ievērot drošības pasākumus₄un nepārsniedz tā ieteikto uzlādes spriegumu 3,6 V.

Mēs mēģinājām nedaudz paslīdēt garām un mēģinājām ‘pārlādēt’ šūnas ar gala spriegumu 7,8 V (3,9 V uz šūnu).

To nemaz nav ieteicams atkārtot mājās.

Lai gan nebija dīvainas uzvedības, piemēram, smēķēšanas vai noplūdes, un arī šūnu spriegums bija gandrīz vienāds, bet kopējais rezultāts nešķita pārāk izdevīgs.

• 3 C izlāde nodrošināja papildu 100 mAh, un vidējais izlādes spriegums bija relatīvi augstāks.
• Tas, ko mēs domājam teikt, ir pārmērīga uzlāde rada nelielu enerģijas blīvuma pieaugumu no 103,6 Wh / kg līdz 104,6 Wh / kg.
• Tomēr nav vērts izturēt riskus un, iespējams, pakļaut šūnu dzīvi pastāvīgiem bojājumiem.

Bateriju ķīmija un novērtējumi

FePO piemērošanas koncepcija₄nanotehnoloģija kopā ar litija bateriju ķīmiju ir paaugstināt elektrodu virsmas laukumu, pa kuru var notikt reakcijas.

Vieta nākotnes jauninājumiem grafīta anodā (negatīvajā spailē) izskatās mākoņaina, taču attiecībā uz katodu ir ievērojams progress.

Katodā jonu uztveršanai izmanto pārejas metālu savienojumus (parasti oksīdus). Metāli, piemēram, mangāns, kobalts un niķelis, kurus izmanto katodi, ir ražoti masveidā.

Turklāt katram no viņiem ir savi plusi un mīnusi. Ražotājs izvēlējās dzelzi, īpaši dzelzs fosfātu (FePO4), kurā viņi atklāja katoda materiālu, kas pat pie zemāka sprieguma ir pietiekami funkcionāls, lai izturētu ārkārtīgi lielu akumulatora jaudu.

Pirmkārt, litija jonu akumulatori ir ķīmiski stabili tikai nelielā sprieguma diapazonā no 2,3 V līdz 4,3 V. Abos šī diapazona galos ir nepieciešama noteikta saskaņošana, lai nodrošinātu kalpošanas laiku. Praktiski augšējā robeža 4,2 V tiek uzskatīta par pieņemamu, savukārt 4,1 V ir ieteicama ilgstošam mūžam.

Parastās litija baterijas, kas sastāv no vairākas šūnas, kas savienotas virknē palikt sprieguma robežās, izmantojot elektroniskos papildinājumus, piemēram balansētāji , ekvalaizeri vai precīzi sprieguma ierobežotāji.

Šo ķēžu sarežģītība palielinās, palielinoties lādiņa strāvai, kā rezultātā rodas papildu enerģijas zudumi. Lietotājiem šīs uzlādes ierīces nav pārāk vēlamas, jo tās drīzāk izvēlētos šūnas, kas var izturēt dziļu izlādi.

Turklāt lietotāji vēlētos arī plašu temperatūras diapazonu un ātras uzlādes iespēju. Tas viss liek nanotehnoloģiju FePO₄balstīta LiFePO₄šūnas kļūst par iecienītākajām litija jonu bateriju inovācijās.

Sākotnējie secinājumi

LiFePO to sīki izlīdzināto izlādes sprieguma līkņu dēļ, kas noenkuro strāvas rūpnieciskos pielietojumus,₄vai FePO₄-katoda Li-Ion šūnas ir ļoti vēlamas.

Viņiem ir ne tikai ievērojami lielāks enerģijas blīvums nekā parastajiem litija jonu elementiem, bet arī ārkārtīgi lieljaudas blīvums.

Zemas iekšējās pretestības un maza svara kombinācija ir laba rezerves daļām atkarībā no niķeļa vai svina lieljaudas pielietojumos.

Parasti šūnas nevar izturēt nepārtrauktu izlādi 30 C temperatūrā, neradot bīstamu temperatūras paaugstināšanos. Tas ir neizdevīgi, jo jūs nevēlaties, lai 2,3 Ah šūna izlādētos pie 70 A tikai divu minūšu laikā. Šāda veida lietojumprogrammās lietotājs iegūst plašākas iespējas nekā tradicionālās litija šūnas.

No otras puses ir nepārtraukts pieprasījums pēc ātrākas uzlādes, īpaši, ja uzlādes ilgumu var krasi samazināt. Iespējams, tas ir viens no iemesliem, kāpēc LiFePO₄šūnas ir pieejamas 36 V (10 sērijas šūnas) profesionālajos āmura urbjos.

Litija šūnas vislabāk var izmantot hibrīdos un videi draudzīgos automobiļos. Izmantojot tikai četrus FePO₄šūnas (13,2 V) akumulatorā dod par 70% mazāku svaru nekā svina-skābes akumulators. Uzlabots produkta dzīves cikls un ievērojami lielāka enerģija papildus jaudas blīvumiem ir atbalstījusi hibrīds transportlīdzeklis tehnoloģija lielākoties bezemisijas transportlīdzekļos.