„LiFePO4“ akumuliatorių įkrovimo / iškrovimo specifikacijos, paaiškinti privalumai

Nors ličio jonų ir ličio polimerų elektrolitų (LiPo) baterijoms būdingas neprilygstamas energijos tankis, ličio baterijas gaminti brangu, jas reikia kruopščiai tvarkyti ir atsargiai įkrauti.

Tobulėjant nanotechnologijoms, žymiai pagerėjo šių baterijų katodo elektrodo gamybos procesas.

Prasiveržimas į nanotechnologijomis pagrįstą didelės apkrovos LiFePO₄ląstelės yra labiau pažengusios nei tradicinės ličio jonų arba lipo ląstelės.

Sužinokime daugiau:

Kas yra LiFePO₄Baterija

Ličio geležies fosfato baterija (LiFePO₄akumuliatorius) arba LFP akumuliatorius (ličio ferofosfatas) ličio jonų baterija kurioje dirba LiFePO₄kaip katodo medžiaga (baterijų viduje šis katodas sudaro teigiamą elektrodą) ir grafito anglies elektrodas, turintis metalinę atramą, formuojančią anodą.

LiFePO energijos tankis₄yra mažesnė, palyginti su įprasta ličio kobalto oksido (LiCoO 2) chemija, taip pat pasižymi mažesne darbine įtampa.

Svarbiausias „LiFePO“ trūkumas₄yra jo sumažintas elektros laidumas. Dėl to kiekvienas „LiFePO“₄katodai yra LiFePO₄/ C.

Dėl pigesnių sąnaudų, minimalaus toksiškumo, tiksliai nurodyto našumo, didelio stabilumo ir kt. LiFePO₄išpopuliarėjo daugelio transporto priemonių, stacionarių komunalinių programų, taip pat keitiklių, keitiklių programose.

„LiFePO“ pranašumai₄Baterija

Nano fosfato ląstelės naudoja tradicinių ličio ląstelių privalumus ir sujungia juos su nikelio pagrindo junginių pranašumais. Visa tai vyksta nepatyrus nė vienos pusės trūkumų.

Šie idealūs NiCd baterijos turi keletą privilegijų, tokių kaip:

• Sauga - jie yra nedegūs, todėl nereikia apsaugos grandinės.
• Tvirtas - baterijos veikia ilgai ir yra įprastai įkraunamos.
• Didelė apkrova ir greitas įkrovimas.
• Jie turi pastovią iškrovos įtampą (plokščią iškrovimo kreivę).
• Didelė elemento įtampa ir mažas savaiminis išsikrovimas
• Aukščiausios galios ir kompaktiškas energijos tankis

Skirtumas tarp LiFePO₄ir ličio jonų baterija

Sutartinis Ličio jonų elementai yra įrengta minimali 3,6 V įtampa ir 4,1 V. įkrovimo įtampa. Abiejų šių įtampų skirtingi gamintojai turi 0,1 V skirtumą. Tai yra pagrindinis skirtumas.

Nano fosfato elementų vardinė įtampa yra 3,3 V, o slopinama įkrauta įtampa - 3,6 V. Įprasta 2,3 Ah talpa yra gana įprasta, kai ją palygina su standartinių ličio jonų elementų siūloma 2,5 ar 2,6 Ah talpa.

Ryškesnis nepanašumas yra svoryje. Nano fosfato elementas sveria tik 70 g, o jo atitikmens „Sony“ arba „Panasonic“ ličio jonų elementų svoris yra atitinkamai 88 g ir 93 g.

Pagrindinė to priežastis parodyta 1 paveiksle, kur pažangios nanofosfato elemento korpusas pagamintas iš aliuminio, o ne iš lakštinio plieno.

Be to, tai turi dar vieną pranašumą prieš įprastas celes, nes aliuminis geriau pagerina šilumos laidumą iš elemento.

Dar vienas novatoriškas dizainas yra korpusas, kuris sudaro teigiamą ląstelės terminalą. Jis pastatytas iš plono feromagnetinės medžiagos sluoksnio, kuris suformuoja tikrus kontaktus.

Įkrovimo / iškrovimo specifikacijos ir darbas

Norėdami išvengti ankstyvo akumuliatoriaus pažeidimo, rekomenduojame naudoti didžiausią leistiną įkrovimo srovę / įtampą, jei jums reikia patikrinti specifikacijas iš duomenų lapo.

Mūsų nedidelis eksperimentas atskleidė pakeistų akumuliatorių savybes. Kiekvieno įkrovimo / iškrovimo ciklo metu mes užfiksavome maždaug 1 mAh (0,005%) mažiausios talpos kritimą.

Iš pradžių mes bandėme apmokestinti mūsų „LiFePO“₄ląstelę esant pilnai 1 C (2,3 A) ir nustatydami iškrovos vertę 4 C (9,2A). Stebėtina, kad visos įkrovimo sekos metu ląstelių temperatūra nepakilo. Tačiau išleidimo metu temperatūra pakilo nuo 21 ° C iki 31 ° C.

10 ° C (23 A) iškrovos bandymas praėjo gerai, kai užfiksuota ląstelės temperatūra pakilo 49 ° C. Kai elemento įtampa sumažėja iki 4 V (matuojama esant apkrovai), akumuliatorius kiekvienoje ląstelėje užtikrino vidutinę 5,68 V arba 2,84 V iškrovos įtampą (Um). Apskaičiuota, kad energijos tankis yra 94 Wh / kg.

Tuo pačiu dydžių diapazone „Sony 26650VT“ elemento vidutinė įtampa yra 3,24 V, esant 10 C iškrovai, o mažesnis energijos tankis - 89 Wh / kg.

Tai yra mažesnė nei „LiFePO“₄ląstelės tankis. Skirtumą galima paaiškinti sumažėjusiu ląstelių svoriu. Bet, „LiFePO“₄ląstelių našumas yra žymiai mažesnis nei LiPo ląstelių.

Pastaroji dažnai taikoma modeliavimo grandinėms, o jų vidutinė iškrovimo įtampa esant 3,5 C arba didesnė kaip 3,5 V. Kalbant apie energijos tankį, LiPo elementai taip pat turi viršenybę, o diapazonai yra nuo 120 Wh / kg iki 170 Wh / kg. .

Kito tyrimo metu mes visiškai apmokestinome LiFePO₄ląstelių 1 C temperatūroje ir vėliau atvėsino jas iki -8 ° C. Vėlesnis iškrovimas 10 C temperatūroje įvyko kambario temperatūroje, kuri yra apie 23 ° C.

Po to ląstelių paviršiaus temperatūra pakilo iki 9 ° C. Vis dėlto ląstelės vidinė temperatūra turėjo būti žymiai žemesnė, nors jos tiesiogiai matuoti nebuvo įmanoma.

2 paveiksle galite pamatyti pradžioje nuskendusių aušinamų elementų gnybtų įtampą (raudoną liniją). Kai temperatūra pakilo, ji grįžo į tą patį lygį, tarsi bandymas būtų atliekamas su ląstelėmis aplinkos temperatūroje.

Keista, kad galutinės temperatūros skirtumas yra mažas (47 ° C ir 49 ° C). Taip yra todėl, kad vidinis ląstelių atsparumas priklauso nuo temperatūros. Tai reiškia, kad kai ląstelės yra šaltos (žemos temperatūros), viduje išskiriama žymiai daugiau energijos.

Kitas tyrimas buvo susijęs su išleidimo srove, kur ji padidėjo iki 15 C (34,5 A), o elementai pasižymėjo daugiau nei minimaliu pajėgumu, kai temperatūra padidėjo iki 53 ° C nuo 23 ° C.

Patikrinti didžiausią dabartinį „LiFePO“ pajėgumą₄Ląstelės

Mes parodėme jums paprastą grandinės konfigūraciją 3 paveiksle. Mes naudojome mažo atsparumo grandinę, kad pamatuotume didžiausius srovės lygius.

Varžų derinys, įskaitant 1 mΩ šuntinį rezistorių, įmontuotą 100 A srovės kriauklės varžą ir jos junginius (kabelio varžos ir kontaktinės varžos MPX jungtyje).

Nepaprastai mažas pasipriešinimas neleido vieno įkrovimo iškrovimui viršyti 65 A.

Todėl mes bandėme perduoti didelės srovės matavimus, naudodami dvi nuoseklias ląsteles, kaip ir anksčiau. Dėl to mes galime išmatuoti įtampą tarp elementų naudodami multimetrą.

Šio eksperimento dabartinė kriauklė galėjo būti perkrauta dėl ląstelės vardinės srovės 120 A. Ribodami savo vertinimo apimtį, mes stebėjome temperatūros pakilimą esant 15 C iškrovai.

Tai parodė, kad nėra tinkama išbandyti ląsteles vienu metu, kai jų vardinis nuolatinis iškrovos greitis yra 30 C (70 A).

Yra daug įrodymų, kad iškrovos metu ląstelės paviršiaus temperatūra yra 65 ° C, o tai yra viršutinė saugumo riba. Taigi, mes sukūrėme gautą iškrovimo grafiką.

Pirma, esant 69 A (30 C) temperatūrai, ląstelės išleidžiamos 16 sekundžių. Tada sekė 11,5 A (5 C) „atkūrimo“ intervalai pusę minutės.

Po to buvo 10 sekundžių impulsai esant 69 A. Galiausiai, kai buvo pasiekta mažiausia išleidimo įtampa arba maksimali leistina temperatūra, iškrovimas buvo baigtas. 4 paveiksle pavaizduoti gauti rezultatai.

Per didelius apkrovos intervalus terminalo įtampa greitai krito, o tai rodo, kad ličio jonai elementų viduje yra riboti ir lėti.

Vis dėlto ląstelė greitai tobulėja mažo krūvio intervalais. Nors įtampa lėtai krenta, kai elementas išsikrauna, padidėjus elemento temperatūrai, esant didesnėms apkrovoms, galite pastebėti žymiai mažiau tikslius įtampos kritimus.

Tai patvirtina, kaip temperatūra priklauso nuo vidinės ląstelės varžos.

Mes užfiksavome, kad vidinė varža nuolatinei srovei būtų maždaug 11 mΩ (duomenų lape pateikiama 10 mΩ), kai elementas išleidžiamas per pusę.

Kamerai visiškai išsikrovus, temperatūra pakilo iki 63 ° C, o tai kelia pavojų saugumui. Taip yra todėl, kad ląstelėms nėra papildomo aušinimo, todėl mes nebevykdėme bandymų su ilgesniais didelės apkrovos impulsais.

Šio bandymo metu baterija išleido 2320 mAh galią, kuri buvo didesnė už vardinę galią.

Esant didžiausiam skirtumui tarp elementų įtampų esant 10 mV, jų atitikimas buvo išskirtinis viso bandymo metu.

Išmetimas esant visai apkrovai buvo sustabdytas, kai gnybto įtampa pasiekė 1 V vienoje ląstelėje.

Po minutės matėme 2,74 V atviros grandinės įtampos atsistatymą per kiekvieną elementą.

Greito įkrovimo testas

Greito įkrovimo bandymai buvo atlikti esant 4 C (9,2 A) temperatūrai be elektroninio balansatoriaus, tačiau mes nuolat tikrinome atskirų elementų įtampą.

Naudojant švino rūgšties akumuliatoriai , mes galime nustatyti tik pradinę įkrovimo srovę dėl įkroviklio tiekiamos maksimalios ir ribotos įtampos.

Be to, įkrovimo srovę galima nustatyti tik tada, kai elemento įtampa pakyla iki taško, kuriame pradeda mažėti įkrovos srovė (pastovi srovė / nuolatinės įtampos įkrovimas).

Mūsų eksperimente su LiFePO₄, tai atsitinka po 10 minučių, kai trukmė sutrumpėja dėl šunto poveikio skaitiklyje.

Mes žinome, kad po 20 minučių elementas įkraunamas iki 97% ar daugiau nominalios talpos.

Be to, įkrovimo srovė šiame etape sumažėjo iki 0,5 A. Dėl to „visa“ elementų būsena bus pranešta greitas kroviklis .

Viso greito įkrovimo proceso metu elementų įtampa kartais šiek tiek judėjo viena nuo kitos, bet ne daugiau kaip 20 mV.

Tačiau viso proceso metu ląstelės tuo pačiu metu baigė įkrovimą.

Patyrus greitą įkrovimą, elementai linkę gana šiek tiek sušilti, o temperatūra šiek tiek atsilieka nuo įkrovimo srovės.

Tai galima sieti su ląstelių vidinio atsparumo praradimu.

Kraunant „LiFePO“, būtina laikytis saugos priemonių₄ir neviršyti siūlomos 3,6 V įkrovimo įtampos.

Mes bandėme šiek tiek prasilenkti ir bandėme „perkrauti“ elementus 7,8 V (3,9 V vienai ląstelei) galine įtampa.

Visai nerekomenduojama to kartoti namuose.

Nors nebuvo jokio keisto elgesio, pavyzdžiui, rūkymo ar nuotėkio, o elementų įtampa taip pat buvo beveik vienoda, tačiau bendras rezultatas neatrodė per daug naudingas.

• 3 C iškrova tiekė papildomus 100 mAh, o vidutinė išlydžio įtampa buvo santykinai didesnė.
• Turime omenyje, kad per didelis įkrovimas sukelia nedidelį energijos tankio pakilimą nuo 103,6 Wh / kg iki 104,6 Wh / kg.
• Tačiau neverta iškęsti rizikos ir galbūt pakenkti ląstelių gyvybei.

Baterijų chemija ir vertinimai

FePO taikymo samprata₄nanotechnologija kartu su ličio baterijų chemija yra padidinti elektrodų, per kuriuos gali vykti reakcijos, paviršių.

Vieta ateities naujovėms grafito anode (neigiamame gnybte) atrodo drumsta, tačiau katodo srityje padaryta didelė pažanga.

Katode jonų gaudymui naudojami pereinamųjų metalų junginiai (paprastai oksidai). Katodai naudojami metalai, tokie kaip manganas, kobaltas ir nikelis, buvo gaminami masinėje gamyboje.

Be to, kiekvienas iš jų turi savo privalumų ir trūkumų. Gamintojas pasirinko geležį, ypač geležies fosfatą (FePO4), kuriame atrado katodo medžiagą, kuri net esant žemesnei įtampai yra pakankamai funkcionali, kad ištvertų labai didelę baterijos talpą.

Pirmiausia, ličio jonų baterijos yra chemiškai stabilios tik esant mažam įtampos diapazonui nuo 2,3 V iki 4,3 V. Abiejuose šio diapazono galuose reikia tam tikro suderinimo, kad būtų galima naudoti. Praktiškai viršutinė 4,2 V riba laikoma priimtina, o ilgesniam gyvenimui rekomenduojama 4,1 V.

Įprastos ličio baterijos, sudarytos iš kelios nuosekliai sujungtos ląstelės laikykitės įtampos ribų per tokius elektroninius priedus kaip balansatoriai , ekvalaizeriai arba tikslūs įtampos ribotuvai.

Šių grandinių sudėtingumas didėja, nes didėja įkrovos srovės, dėl kurių atsiranda papildomų energijos nuostolių. Vartotojams šie įkrovimo įtaisai nėra pernelyg pageidaujami, nes jiems labiau patinka ląstelės, kurios gali ištverti gilų iškrovimą.

Be to, vartotojai taip pat norėtų plataus temperatūros diapazono ir greito įkrovimo galimybės. Visa tai sukuria nanotechnologiją FePO₄įsikūręs „LiFePO“₄elementai tampa mėgstamiausiais diegiant ličio jonų baterijas.

Preliminarios išvados

Dėl jų plokščių išlydžio įtampos kreivių, kurios įtvirtina didelių srovių pramonės taikymą, LiFePO₄arba FePO₄-katodo ličio jonų ląstelės yra labai pageidautinos.

Jie turi ne tik žymiai didesnį energijos tankį nei įprasti ličio jonų elementai, bet ir nepaprastai didelės galios tankį.

Mažo vidinio atsparumo ir mažo svorio derinys yra naudingas pakaitinėms ląstelėms, priklausomai nuo nikelio ar švino, naudojant didelę galią.

Paprastai ląstelės negali ištverti nuolatinio iškrovimo 30 C temperatūroje, nepatirdamos pavojingo temperatūros pakilimo. Tai yra nenaudinga, nes nenorėtumėte, kad 2,3 Ah ląstelė išsikrautų 70 A įtampoje per dvi minutes. Tokio tipo programose vartotojas gauna platesnes galimybes nei tradicinės ličio ląstelės.

Kita vertus, yra nuolatinis greitesnio įkrovimo poreikis, ypač jei galima žymiai sutrumpinti įkrovimo trukmę. Tikriausiai tai yra viena iš priežasčių, kodėl „LiFePO“₄elementai yra 36 V (10 serijos elementų) profesionalių plaktuko grąžtų.

Ličio elementus geriausia naudoti hibridiniuose ir aplinką tausojančiuose automobiliuose. Naudojant tik keturis FePO₄akumuliatorių baterijos (13,2 V) duoda 70% mažesnio svorio nei švino rūgšties akumuliatorius. Pagerintas produkto gyvavimo ciklas ir žymiai didesnė energija, be galios tankio, padėjo sukurti hibridinė transporto priemonė technologijas iš esmės neišmetančių transporto priemonių srityje.