Спецификације пуњења / пражњења батерије ЛиФеПО4, Објашњене предности

Док Ли-Ион и литијум-полимер-електролитске батерије (ЛиПо) имају ненадмашну густину енергије, батерије на бази литијума скупе су за производњу и њима је потребно пажљиво руковање, уз опрезно пуњење.

Са напретком нанотехнологије, процес производње катодне електроде за ове батерије забележио је значајно побољшање.

Пробој кроз ЛиФеПО са великим оптерећењем заснован на нанотехнологији₄ћелије су напредније од традиционалних Ли-ион или Липо ћелија.

Научимо више:

Шта је ЛиФеПО₄Батерија

Литијум-гвожђе-фосфатна батерија (ЛиФеПО₄батерија) или ЛФП батерија (литијум ферофосфат), је облик литијум јонска батерија која запошљава ЛиФеПО₄као катодни материјал (унутар батерија ова катода чини позитивну електроду) и графитна угљенична електрода која има метални носач који чини аноду.

Густина енергије ЛиФеПО₄је мањи у поређењу са конвенционалном хемијом литијум-кобалт-оксида (ЛиЦоО 2), као и одликује се мањим радним напоном.

Најважнија негативна страна ЛиФеПО₄је његова смањена електрична проводљивост. Као резултат, сваки од ЛиФеПО₄катоде у обзир су у стварности ЛиФеПО₄/ Ц.

Због јефтинијих трошкова, минималне токсичности, прецизно одређених перформанси, опсежне стабилности итд. ЛиФеПО₄је постао популаран у бројним апликацијама заснованим на возилима, стационарним апликацијама, као и у претварачима, претварачима.

Предности ЛиФеПО₄Батерија

Ћелије нано фосфата узимају предности традиционалних ћелија литијума и спајају их са предностима једињења на бази никла. Све се то дешава без доживљавања недостатака било које стране.

Ови идеални НиЦд батерије имају неколико погодности попут:

• Безбедност - Нису запаљиви, тако да нема потребе за заштитним кругом.
• Робустан - Батерије имају дуг век циклуса и стандардни начин пуњења.
• Висока толеранција на велика оптерећења и брзо пуњење.
• Имају константан напон пражњења (равна крива пражњења).
• Висок напон ћелије и ниско самопражњење
• Врхунска снага и компактна густина енергије

Разлика између ЛиФеПО₄и Ли-Ион батерија

Конвенционално Ли-јонске ћелије опремљени су минималним напоном од 3,6 В и напоном пуњења од 4,1 В. Код оба произвођача постоји разлика од 0,1 В код оба произвођача. То је главна разлика.

Нанофосфатне ћелије имају номинални напон од 3,3 В и потиснути наелектрисани напон од 3,6 В. Нормални капацитет од 2,3 Ах прилично је уобичајен када се успореди са капацитетом од 2,5 или 2,6 Ах који нуде стандардне Ли-Ион ћелије.

Израженија разлика је у тежини. Нанофосфатна ћелија тежи само 70 г, док њен колега, Сони или Панасониц Ли-Ион ћелија, има тежину од 88 г, односно 93 г.

Главни разлог за то приказан је на слици 1, где је кућиште напредне нано-фосфатне ћелије израђено од алуминијума, а не од челичног лима.

Поред тога, ово носи још једну предност у односу на конвенционалне ћелије, јер алуминијум боље побољшава проводљивост топлоте из ћелије.

Још један иновативни дизајн је кућиште које чини позитивни терминал ћелије. Грађен је танким слојем феромагнетног материјала који формира стварне контакте.

Спецификације пуњења / пражњења и рад

Да бисте спречили прерано оштећење батерије, препоручујемо примену максимално дозвољене струје / напона пуњења у случају да је потребно да верификујете спецификације из техничког листа.

Наш мали експеримент открио је својства промењене батерије. У сваком циклусу пуњења / пражњења забележили смо пад капацитета од око 1 мАх (0,005%) минималног капацитета.

У почетку смо покушали да наплатимо наш ЛиФеПО₄ћелију на пуних 1 Ц (2,3 А) и подесите вредност пражњења на 4 Ц (9,2А). Запањујуће, током секвенце пуњења није дошло до повећања ћелијске температуре. Међутим, током пражњења температура је порасла са 21 ° Ц на 31 ° Ц.

Тест пражњења за 10 Ц (23 А) добро је прошао са забележеним порастом температуре ћелије од 49 ° Ц. Једном када се напон ћелије смањи на 4 В (мерено под оптерећењем), батерија је обезбедила средњи напон пражњења (Ум) од 5,68 В или 2,84 В на свакој ћелији. Израчуната је густина енергије од 94 Вх / кг.

У истом опсегу величина, ћелија Сони 26650ВТ представља већи средњи напон од 3,24 В при пражњењу од 10 Ц са нижом густином енергије од 89 Вх / кг.

Ово је ниже од ЛиФеПО₄густина ћелије. Разлика се може приписати смањеној тежини ћелије. Али, ЛиФеПО₄ћелије имају знатно ниже перформансе од ЛиПо ћелија.

Потоње се често примењује на моделирање кругова и они имају средњи напон пражњења од 3,5 В или више на 10 Ц. У погледу густине енергије, ЛиПо ћелије такође имају предност у распону између 120 Вх / кг и 170 Вх / кг .

Током следећег прегледа, у потпуности смо напунили ЛиФеПО₄ћелије на 1 Ц и охлади их касније на -8 ° Ц. Следеће пражњење на 10 Ц догодило се на собној температури која је око 23 ° Ц.

Површинска температура ћелија је порасла на 9 ° Ц након тога. Ипак, унутрашња температура ћелије мора да је била знатно нижа иако њено директно мерење није било могуће.

На слици 2 можете видети терминални напон (црвена линија) охлађених ћелија роњених на почетку. Како је температура порасла, вратила се на исти ниво као да је тест спроведен са ћелијама на собној температури.

Изненађујуће је да је разлика у коначној температури мала (47 ° Ц наспрам 49 ° Ц). То је зато што унутрашњи отпор ћелија зависи од температуре. То значи да када су ћелије хладне (ниска температура), знатно већа снага се расипа изнутра.

Следећи преглед био је повезан са струјом пражњења где је порасла на 15 Ц (34,5 А), ћелије су имале више од свог минималног капацитета пошто је температура ескалирала на 53 ° Ц са 23 ° Ц.

Тестирање екстремног тренутног капацитета ЛиФеПО₄Ћелије

Показали смо вам једноставну конфигурацију кола на слици 3. Користили смо коло са малим отпором за мерење вршних нивоа струје.

Комбинација отпора, укључујући 1 мΩ отпорник ранга, уграђени отпор одводника струје од 100 А и његових сарадника (отпори каблова и контактни отпори у МПКС конектору).

Изузетно мали отпор спречио је пражњење једног пуњења да пређе 65 А.

Због тога смо покушали да делегирамо мерења јаке струје помоћу две ћелије у низу као раније. Због тога бисмо могли да меримо напон између ћелија помоћу мултиметра.

Тренутни судопер у овом експерименту је можда био преоптерећен због називне струје ћелије од 120 А. Ограничавањем обима наше процене, пратили смо повишење температуре при пражњењу од 15 Ц.

Ово је показало да није прикладно тестирати ћелије одједном при њиховој номиналној брзини непрекидног пражњења од 30 Ц (70 А).

Постоје значајни докази да је температура ћелије од 65 ° Ц током пражњења горња безбедносна граница. Дакле, направили смо резултујући распоред испуштања.

Прво, на 69 А (30 Ц) ћелије се празне 16 секунди. Затим су уследили наизменични интервали „опоравка“ од 11,5 А (5 Ц) у трајању од пола минута.

Након тога, било је 10-секундних импулса на 69 А. Коначно, када је постигнут или минимални напон пражњења или максимална дозвољена температура, пражњење је било завршено. Слика 4 приказује резултате који су добијени.

Током интервала високог оптерећења, напон на терминалима је брзо падао, што представља да су литијумови јони унутар ћелија ограничени и успоравају кретање.

Ипак, ћелија се брзо побољшава током интервала са малим оптерећењем. Иако напон полако пада како се ћелија празни, можда ћете приметити знатно мање тачне падове напона за већа оптерећења, како температура ћелије расте.

Ово потврђује како температура зависи од унутрашњег отпора ћелије.

Забележили смо унутрашњи отпор једносмерној струји од око 11 мΩ (лист са подацима представља 10 мΩ) када се ћелија напола испразни.

Када се ћелија потпуно испразни, температура је порасла на 63 ° Ц, што је излаже безбедносним ризицима. То је зато што за ћелије нема додатног хлађења, па смо зато престали да прелазимо на тестирање са дужим импулсима великог оптерећења.

Батерија је у овом тесту дала излаз од 2320 мАх, што је било више од номиналног капацитета.

Са максималном разликом између напона ћелије при 10 мВ, подударање између њих било је изванредно током целог теста.

Пражњење при пуном оптерећењу заустављено је када је напон на прикључку достигао 1 В по ћелији.

Минут касније, видели смо опоравак напона отвореног круга од 2,74 В на свакој од ћелија.

Тест брзог пуњења

Испитивања брзог пуњења спроведена су на 4 Ц (9,2 А) без уграђеног електронског балансера, али смо непрестано проверавали напоне појединих ћелија.

Када користиш оловно-киселинске батерије , почетну струју пуњења можемо подесити само због максималног и ограниченог напона који испоручује пуњач.

Такође, струја пуњења се може подесити тек након што је напон ћелије порастао до тачке када струја пуњења почиње да се смањује (пуњење константне струје / константног напона).

У нашем експерименту са ЛиФеПО₄, то се дешава након 10 минута када се трајање смањује ефектом шанта у мерачу.

Знамо да се ћелија напуни на 97% или више од њеног номиналног капацитета након што је протекло 20 минута.

Даље, струја наелектрисања у овој фази пала је на 0,5 А. Као резултат, „пуно“ стање ћелија ће извести брзи пуњач .

Током процеса брзог пуњења, напон ћелије се понекад помало померао један од другог, али не преко 20 мВ.

Али за целокупан процес, ћелије су истовремено завршиле пуњење.

Када се искуси брзо пуњење, ћелије имају тенденцију да се прилично загреју, при чему температура донекле заостаје за струјом пуњења.

То се може приписати губицима у унутрашњем отпору ћелија.

Основно је поштовати мере предострожности приликом пуњења ЛиФеПО₄а не преко предложеног напона пуњења од 3,6 В.

Покушали смо мало да се провучемо и покушали смо да „пренапунимо“ ћелије терминалним напоном од 7,8 В (3,9 В по ћелији).

Уопште се не препоручује да ово понављате код куће.

Иако није било необичног понашања попут пушења или цурења, а напони у ћелијама су такође били готово једнаки, али чини се да укупни исход није превише користан.

• Пражњење од 3 Ц обезбедило је додатних 100 мАх, а средњи напон пражњења био је релативно већи.
• Оно што желимо да кажемо је да прекомерно пуњење узрокује мали помак у густини енергије од 103,6 Вх / кг до 104,6 Вх / кг.
• Међутим, не вреди подносити ризике и вероватно подвргавати живот ћелија трајном оштећењу.

Хемија батерија и процене

Концепт примене ФеПО₄нанотехнологија, заједно са хемијом литијумских батерија, треба да подигне површину електрода преко којих се могу одвијати реакције.

Простор за будуће иновације у графитној аноди (негативни терминал) изгледа мутно, али у погледу катоде постоји значајан напредак.

На катоди се једињења (обично оксиди) прелазних метала користе за хватање јона. Метали попут мангана, кобалта и никла које катоде користе су у масовној производњи.

Штавише, сваки од њих има своје предности и недостатке. Произвођач се одлучио за гвожђе, посебно гвожђе фосфат (ФеПО4) у којем су открили катодни материјал који је чак и при нижим напонима довољно функционалан да издржи екстремни капацитет батерије.

Првенствено, Ли-Ион батерије су хемијски стабилне само у малом опсегу напона од 2,3 В до 4,3 В. На оба краја овог опсега потребно је измирење за трајање животног века. Практично се горња граница од 4,2 В сматра прихватљивом, док се 4,1 В препоручује за продужени животни век.

Уобичајене литијумске батерије од којих се састоје неколико ћелија повезаних у низу останите у границама напона путем електронских додатака попут балансери , еквилајзере или прецизне граничнике напона.

Сложеност ових кола расте како се повећавају струје наелектрисања што резултира додатним губицима снаге. За кориснике ови уређаји за пуњење нису превише пожељни, јер би радије волели ћелије које могу да поднесу дубоко пражњење.

Поред тога, корисници би такође желели широк опсег температура и могућност брзог пуњења. Све ово ставља нано-технологију ФеПО₄заснован на ЛиФеПО₄ћелије постају омиљене у иновацији Ли-Ион батерија.

Прелиминарни закључци

Због својих изузетно равних кривих напона пражњења које усидрују извршавање индустријских примена велике струје, ЛиФеПО₄или ФеПО₄-катодне Ли-Ион ћелије су веома пожељне.

Не само да имају знатно већу густину енергије од конвенционалних Ли-Ион ћелија, већ и изузетно високу густину снаге.

Комбинација малог унутрашњег отпора и мале тежине добра је за замену ћелија, у зависности од никла или олова у применама велике снаге.

Типично, ћелије не могу да поднесу континуирано пражњење на 30 Ц, а да не доживе опасан пораст температуре. Ово је неповољно јер не бисте желели да се ћелија од 2,3 Ах испразни на 70 А за само два минута. У овој врсти апликација корисник добија шире могућности од традиционалних литијумових ћелија.

Са друге стране, постоји стална потражња за бржим пуњењем, посебно ако се време пуњења може драстично смањити. Вероватно је то један од разлога зашто је ЛиФеПО₄је доступан у професионалним бушилицама са чекићем од 36 В (ћелије од 10 серија).

Литијумске ћелије је најбоље применити у хибридним и еколошки прихватљивим аутомобилима. Користећи само четири ФеПО₄ћелије (13,2 В) у батерији дају 70% мању тежину од оловне киселине. Побољшани животни циклус производа и знатно већа енергија поврх густина снаге подржали су развој хибридно возило технологија углавном у возилима са нултом емисијом.