LiFePO4 Batteriopladning / afladning Specifikationer, forklarede fordele

Mens Li-ion- og lithiumpolymerelektrolytbatterier (LiPo) har uovertruffen energitæthed, er lithiumbaserede batterier dyre at producere og har brug for omhyggelig håndtering sammen med en forsigtig opladning.

Med fremskridt inden for nanoteknologi har fremstillingsprocessen for katodeelektroden til disse batterier set en betydelig forbedring.

Gennembrudet af nanoteknologibaseret LiFePO med høj belastning₄celler er mere avancerede end de traditionelle Li-ion- eller Lipo-celler.

Lad os lære mere:

Hvad er LiFePO₄Batteri

Lithium-jernfosfatbatteriet (LiFePO₄batteri) eller LFP batteri (lithiumferrophosphat), er en form for lithium-ion batteri der beskæftiger LiFePO₄som katodemateriale (inde i batterier udgør denne katode den positive elektrode) og en grafitcarbonelektrode med en metalunderstøtning, der danner anoden.

LiFePOs energitæthed₄er mindre sammenlignet med den konventionelle kemi med lithiumcobaltoxid (LiCoO 2) samt har en mindre arbejdsspænding.

Den mest afgørende ulempe ved LiFePO₄er dens reducerede elektriske ledningsevne. Som et resultat, hver eneste af LiFePO₄katoder i betragtning er i virkeligheden LiFePO₄/ C.

På grund af billigere omkostninger, minimal toksicitet, nøjagtigt specificeret ydelse, omfattende stabilitet osv. LiFePO₄er blevet populær i antallet af køretøjsbaserede applikationer, stationære applikationer til brugsskalaer og også i inverter, konverterapplikationer.

Fordele ved LiFePO₄Batteri

Nano-phosphatcellerne tager fordelene ved traditionelle lithiumceller og fusionerer dem med fordelene ved nikkelbaserede forbindelser. Alle disse sker uden at opleve ulemperne ved begge sider.

Disse ideelle NiCd-batterier har flere frynsegoder som:

• Sikkerhed - De er ikke brandfarlige, så der er ikke behov for et beskyttelseskredsløb.
• Robuste - Batterierne har en lang levetid og en standard opladningsmetode.
• Høj tolerance over for tunge belastninger og hurtig opladning.
• De har en konstant afladningsspænding (en flad afladningskurve).
• Høj cellespænding og lav selvafladning
• Overlegen kraft og kompakt energitæthed

Forskellen mellem LiFePO₄og Li-Ion batteri

Konventionel Li-ion celler er udstyret med en minimumspænding på 3,6 V og en opladningsspænding på 4,1 V. Der er en 0,1 V forskel ved begge disse spændinger hos forskellige producenter. Dette er den største forskel.

Nano-fosfatcellerne har en nominel spænding på 3,3 V og en undertrykt ladet spænding på 3,6 V. Den normale kapacitet på 2,3 Ah er ret almindelig, når den modsættes den 2,5 eller 2,6 Ah kapacitet, der tilbydes af standard Li-Ion-celler.

Den mere fremtrædende ulighed er i vægten. Nano-fosfatcellen vejer kun 70 g, mens dens modstykke, Sony eller Panasonic Li-Ion-cellen har en vægt på henholdsvis 88 g og 93 g.

Hovedårsagen til dette er vist i figur 1, hvor beklædningen i den avancerede nanophosphatcelle er lavet af aluminium og ikke stålplade.

Derudover har dette en anden fordel i forhold til de konventionelle celler, da aluminium er bedre til at forbedre varmeledning fra cellen.

Et mere innovativt design er kappen, der danner den positive terminal af cellen. Den er bygget med et tyndt lag ferromagnetisk materiale, der danner de virkelige kontakter.

Specifikationer for opladning / afladning og arbejde

For at forhindre for tidlig beskadigelse af batteriet anbefaler vi at anvende den maksimalt tilladte opladningsstrøm / spænding, hvis du har brug for at kontrollere specifikationerne fra databladet.

Vores lille eksperiment afslørede batteriets egenskaber ændret. Ved hver opladnings- / afladningscyklus registrerede vi en nedgang i kapacitet omkring 1 mAh (0,005%) af minimumskapaciteten.

Først forsøgte vi at oplade vores LiFePO₄celle ved den fulde 1 C (2,3 A), og indstil afladningsværdien til 4 C (9,2 A). Overraskende nok var der ingen stigning i celletemperaturen gennem hele opladningssekvensen. Under afladningen steg temperaturen imidlertid fra 21 ° C til 31 ° C.

Udledningstesten til 10 ° C (23 A) gik godt med en registreret celle temperaturstigning på 49 ° C. Når cellespændingen er reduceret til 4 V (målt under belastning), tilvejebragte batteriet en gennemsnitlig afladningsspænding (Um) på 5,68 V eller 2,84 V på hver celle. Energitætheden blev beregnet til at være 94 Wh / kg.

I samme størrelsesområde præsenterer Sony 26650VT-cellen en højere gennemsnitsspænding på 3,24 V ved 10 C afladning med en lavere energitæthed på 89 Wh / kg.

Dette er lavere end LiFePO₄cellens tæthed. Forskellen kan tilskrives nedsat cellevægt. Men LiFePO₄celler har signifikant lavere ydeevne end LiPo-cellerne.

Sidstnævnte anvendes ofte til modelleringskredsløb, og de har en gennemsnitlig afladningsspænding på 3,5 V eller mere ved 10 C. Med hensyn til energitæthed har LiPo-cellerne også overhånden med intervaller mellem 120 Wh / kg og 170 Wh / kg .

I vores næste undersøgelse opladede vi LiFePO fuldt ud₄celler ved 1 C og afkølet dem senere til -8 ° C. Den efterfølgende udledning ved 10 ° C skete ved stuetemperatur, som er omkring 23 ° C.

Cellernes overfladetemperatur var steget til 9 ° C efter dette. Alligevel skal celleens interne temperatur have været betydeligt lavere, selvom dens direkte måling ikke var mulig.

I figur 2 kan du se terminalspændingen (rød linje) for de afkølede celler, der dykkes i starten. Da temperaturen steg, vendte den tilbage til det samme niveau, som hvis testen blev udført med cellerne ved omgivelsestemperatur.

Overraskende nok er forskellen i den endelige temperatur lav (47 ° C mod 49 ° C). Dette skyldes, at cellernes indre modstand afhænger af temperaturen. Det betyder, at når cellerne er kolde (lav temperatur), spredes væsentligt mere strøm internt.

Den næste undersøgelse var relateret til udledningsstrømmen, hvor den steg til 15 ° C (34,5 A), cellerne præsenterede mere end deres minimale kapacitet, da temperaturen eskalerede til 53 ° C fra 23 ° C.

Test af ekstrem strømkapacitet for LiFePO₄Celler

Vi har vist dig en simpel kredsløbskonfiguration i figur 3. Vi brugte et kredsløb med lav modstand til at måle spidsstrømniveauerne.

Kombinationen af ​​modstande inklusive 1 mΩ shuntmodstand, den indbyggede modstand af 100 A strømvasken og dens tilknytninger (kabelmodstande og kontaktmodstande i MPX-stikket).

Den ekstreme lave modstand forhindrede afladning af en enkelt ladning i at gå mere end 65 A.

Derfor forsøgte vi at delegere målingerne med høj strøm ved hjælp af to celler i serier som før. På grund af dette kunne vi måle spændingen mellem cellerne ved hjælp af et multimeter.

Den aktuelle vask i dette eksperiment kan være blevet overbelastet på grund af cellens nominelle strøm på 120 A. Ved at begrænse omfanget af vores evaluering overvågede vi temperaturen hæves ved 15 C udledning.

Dette viste, at det ikke er passende at teste cellerne på én gang ved deres nominelle kontinuerlige udladningshastighed på 30 C (70 A).

Der er væsentlige beviser for, at en celleoverfladetemperatur på 65 ° C under afladning er den øvre grænse for sikkerhed. Så vi konstruerede den resulterende udledningsplan.

For det første udledes cellerne ved 69 A (30 C) i 16 sekunder. Derefter blev det efterfulgt af skiftende 'opsving' intervaller på 11,5 A (5 C) i et halvt minut.

Derefter var der 10 sekunders impulser ved 69 A. Endelig, når enten den mindste afladningsspænding eller den maksimalt tilladte temperatur blev opnået, blev afladningen driften afsluttet. Figur 4 viser de opnåede resultater.

Gennem de høje belastningsintervaller faldt terminalspændingen hurtigt, hvilket repræsenterer, at lithiumionerne inde i cellerne har begrænset og langsom bevægelse.

Alligevel forbedres cellen hurtigt under intervaller med lav belastning. Selvom spændingen langsomt falder, når cellen aflades, kan du finde betydeligt mindre nøjagtige spændingsfald ved de højere belastninger, når celletemperaturen stiger.

Dette validerer, hvordan temperaturen afhænger af celleens interne modstand.

Vi registrerede en intern modstand mod DC til at være ca. 11 mΩ (datablad præsenterer 10 mΩ), når cellen er halvt afladet.

Da cellen var helt afladet, var temperaturen steget til 63 ° C, hvilket udsætter den for sikkerhedsrisici. Dette skyldes, at der ikke er nogen yderligere afkøling til cellerne, så vi stoppede med at gå videre til testning med længere pulser med høj belastning.

Batteriet gav en output på 2320 mAh i denne test, som var større end den nominelle kapacitet.

Med en maksimal forskel mellem cellespændingerne ved 10 mV var matchningen mellem dem fremragende i hele testen.

Udladningen ved fuld belastning blev standset, da terminalspændingen opnåede 1 V pr. Celle.

Et minut senere så vi en genopretning på 2,74 V åben kredsløbsspænding over hver af cellerne.

Hurtig opladningstest

Hurtig opladningstest blev udført ved 4 ° C (9,2 A) uden at inkorporere en elektronisk balancer, men vi kontrollerede konstant de enkelte cellespændinger.

Ved brug blybatterier , kan vi kun indstille den oprindelige opladningsstrøm på grund af den maksimale og begrænsede spænding leveret af opladeren.

Opladningsstrømmen kan også kun indstilles, efter at cellespændingen var steget til et punkt, hvor ladestrømmen begynder at reducere (konstant strøm / konstant spændingsopladning).

I vores eksperiment med LiFePO₄, dette sker efter 10 minutter, hvor varigheden reduceres af effekten af ​​shunt i måleren.

Vi ved, at cellen oplades til 97% eller mere af dens nominelle kapacitet, efter at der var gået 20 minutter.

Desuden er ladestrømmen på dette trin faldet til 0,5 A. Som et resultat vil en 'fuld' tilstand af cellerne blive rapporteret af en hurtigoplader .

Gennem den hurtige opladningsproces bevægede cellespændingerne sig nogle gange lidt fra hinanden, men ikke over 20 mV.

Men for den samlede proces blev cellerne opladet på samme tid.

Når man oplever hurtig opladning, har cellerne tendens til at varme op en smule, med temperaturen noget bagud på ladestrømmen.

Dette kan tilskrives tab i cellernes indre modstand.

Det er grundlæggende at følge sikkerhedsforanstaltningerne, når du oplader LiFePO₄og ikke ud over den foreslåede opladningsspænding på 3,6 V.

Vi forsøgte at snige os lidt forbi og forsøgte at 'overoplade' cellerne med en terminalspænding på 7,8 V (3,9 V pr. Celle).

Det anbefales slet ikke at gentage dette derhjemme.

Selvom der ikke var nogen mærkelig opførsel som rygning eller utæthed, og cellespændingerne også var næsten lige store, men det samlede resultat syntes ikke at være for gavnligt.

• 3 C-afladningen leverede yderligere 100 mAh, og den gennemsnitlige afladningsspænding var relativt højere.
• Hvad vi mener at sige er overopladning forårsager en lille omvæltning i energitæthed fra 103,6 Wh / kg til 104,6 Wh / kg.
• Det er imidlertid ikke det værd at udholde risiciene og muligvis udsætte cellernes levetid for permanent skade.

Batterikemi og evalueringer

Konceptet med at anvende FePO₄nanoteknologi sammen med en lithium-batterikemi er at hæve elektrodernes overfladeareal, over hvilke reaktioner kan finde sted.

Der er plads til fremtidig innovation i grafitanoden (negativ terminal) ser overskyet ud, men med hensyn til katoden er der store fremskridt.

Ved katodeforbindelserne (typisk oxider) af overgangsmetaller anvendes til ionindfangning. Metaller som mangan, cobalt og nikkel, der bruges af katoder, har været i masseproduktion.

Desuden har hver af dem sine respektive fordele og ulemper. Producent valgte jern, især jernfosfat (FePO4), hvor de opdagede et katodemateriale, der selv ved lavere spændinger er funktionelt nok til at udholde ekstrem batterikapacitet.

Primært er Li-Ion-batterier kun kemisk stabile inden for et lille spændingsområde fra 2,3 V til 4,3 V. I begge ender af dette interval er det nødvendigt med en vis forlig for levetidens vilkår. Praktisk set anses en øvre grænse på 4,2 V for acceptabel, mens 4,1 V anbefales til en længere levetid.

Konventionelle lithiumbatterier, der består af flere celler forbundet i serie holde sig inden for spændingsgrænserne gennem elektroniske tilføjelser som balancere , equalizere eller præcise spændingsbegrænsere.

Kompleksiteten af ​​disse kredsløb stiger, når ladestrømmen stiger, hvilket resulterer i yderligere effekttab. For brugerne er disse opladningsenheder ikke alt for foretrukne, da de hellere foretrækker celler, der kan udholde dyb afladning.

Desuden vil brugerne også have et bredt temperaturområde og muligheden for hurtig opladning. Alle disse sætter nanoteknologien FePO₄baseret LiFePO₄celler bliver favoritterne inden for innovation af Li-Ion-batterier.

Indledende konklusioner

På grund af deres detaljerede flade afladningsspændingskurver, der forankrer udførelsen af ​​industrielle applikationer med høj strøm, LiFePO₄eller FePO₄-katode Li-ion-celler er meget ønskelige.

Ikke kun har de væsentligt mere energitæthed end konventionelle Li-ion-celler, men også en meget høj effekttæthed.

Kombinationen af ​​lav intern modstand og lav vægt lover godt for erstatningscellerne afhængigt af nikkel eller bly i applikationer med høj effekt.

Typisk kan celler ikke udholde kontinuerlig udledning ved 30 ° C uden at opleve en farlig temperaturstigning. Dette er ufordelagtigt, fordi du ikke ønsker, at en 2,3 Ah-celle skal aflades ved 70 A på bare to minutter. I denne type applikationer får brugeren bredere muligheder end traditionelle lithiumceller.

På bagsiden er der et kontinuerligt behov for hurtigere opladning, især hvis opladningsvarigheden kan reduceres drastisk. Dette er sandsynligvis en af ​​grundene til, at LiFePO₄celler fås i 36 V (10-serie celler) professionelle hammerboremaskiner.

Lithiumceller udnyttes bedst i hybrid- og miljøvenlige biler. Brug kun fire FePO₄celler (13,2 V) i en batteripakke giver 70% mindre vægt end et blysyrebatteri. Forbedret produktlivscyklus og betydeligt højere energi oven på effekttætheder har støttet udviklingen af hybrid køretøj teknologi stort set i køretøjer uden emissioner.