LiFePO4 Batterilading / utladning Spesifikasjoner, forklarte fordeler

Mens Li-ion- og litiumpolymerelektrolyttbatterier (LiPo) har uovertruffen energitetthet, er litiumbaserte batterier kostbare å produsere og trenger grundig håndtering sammen med en forsiktig lading.

Med utviklingen av nanoteknologi har produksjonsprosessen av katodeelektroden for disse batteriene sett en betydelig forbedring.

Bruddet gjennom nanoteknologi-basert LiFePO med høy belastning₄celler er mer avanserte enn de tradisjonelle Li-ion- eller Lipo-cellene.

La oss lære mer:

Hva er LiFePO₄Batteri

Litiumjernfosfatbatteriet (LiFePO₄batteri) eller LFP batteri (litiumferrofosfat), er en form for litium-ion-batteri som ansetter LiFePO₄som katodemateriale (inne i batterier utgjør denne katoden den positive elektroden), og en grafittkarbonelektrode som har en metallstøtte som danner anoden.

Energitettheten til LiFePO₄er mindre sammenlignet med konvensjonell litiumkobaltoksyd (LiCoO 2) kjemi, samt har en mindre arbeidsspenning.

Den mest avgjørende ulempen med LiFePO₄er dens reduserte elektriske ledningsevne. Som et resultat, hver og en av LiFePO₄katoder er i virkeligheten LiFePO₄/ C.

På grunn av billigere kostnader, minimal toksisitet, presis spesifisert ytelse, omfattende stabilitet, etc. LiFePO₄har blitt populært i antall kjøretøybaserte applikasjoner, stasjonære applikasjoner for bruksskala, og også i omformer-, omformerapplikasjoner.

Fordeler med LiFePO₄Batteri

Nanofosfatcellene tar fordeler av tradisjonelle litiumceller og smelter dem sammen med fordelene med nikkelbaserte forbindelser. Alle disse skjer uten å oppleve ulempene til noen av sidene.

Disse ideelle NiCd-batterier har flere fordeler som:

• Sikkerhet - De er ikke brennbare, så det er ikke behov for en beskyttelseskrets.
• Robuste - Batteriene har en lang levetid og en standard lademetode.
• Høy toleranse for tunge belastninger og rask lading.
• De har en konstant utladningsspenning (en flat utladningskurve).
• Høy cellespenning og lav selvutladning
• Overlegen kraft og kompakt energitetthet

Forskjellen mellom LiFePO₄og Li-Ion batteri

Konvensjonell Li-ion-celler er utstyrt med en minimumsspenning på 3,6 V og en ladningsspenning på 4,1 V. Det er en 0,1 V forskjell på begge disse spenningene hos forskjellige produsenter. Dette er hovedforskjellen.

Nano-fosfatcellene har en nominell spenning på 3,3 V og en undertrykt ladet spenning på 3,6 V. Den normale kapasiteten på 2,3 Ah er ganske vanlig når den settes opp mot den 2,5 eller 2,6 Ah kapasiteten som tilbys av standard Li-ion-celler.

Den mer fremtredende ulikheten er i vekten. Nanofosfatcellen veier bare 70 g, mens dens motstykke, Sony eller Panasonic Li-Ion-cellen har en vekt på henholdsvis 88 g og 93 g.

Hovedårsaken til dette er vist i figur 1 hvor foringsrøret til den avanserte nanofosfatcellen er laget av aluminium og ikke stålplate.

I tillegg har dette en annen fordel i forhold til de konvensjonelle cellene, ettersom aluminium er bedre til å forbedre varmeledningen fra cellen.

En mer innovativ design er foringsrøret som danner den positive terminalen til cellen. Den er bygget med et tynt lag av ferromagnetisk materiale som danner de virkelige kontaktene.

Lading / utladning Spesifikasjoner og arbeid

For å forhindre for tidlig skade på batteriet, anbefaler vi å bruke maksimal tillatt ladestrøm / spenning, i tilfelle du trenger å verifisere spesifikasjonene fra databladet.

Vårt lille eksperiment avslørte egenskapene til batteriet endret seg. Ved hver lade / utladningssyklus registrerte vi en kapasitetsdyp på rundt 1 mAh (0,005%) av minimumskapasiteten.

Først prøvde vi å lade LiFePO₄celle ved full 1 C (2,3 A) og sett utladningsverdien til 4 C (9.2A). Overraskende nok var det ingen økning i celletemperaturen gjennom hele ladningssekvensen. Imidlertid, under utladning, økte temperaturen fra 21 ° C til 31 ° C.

Utslippstesten for 10 C (23 A) gikk bra med en registrert celle temperaturøkning på 49 ° C. Når cellespenningen ble redusert til 4 V (målt under belastning), ga batteriet en gjennomsnittlig utladningsspenning (Um) på 5,68 V eller 2,84 V på hver celle. Energitettheten ble beregnet til å være 94 Wh / kg.

I samme størrelsesområde presenterer Sony 26650VT-cellen en høyere gjennomsnittsspenning på 3,24 V ved 10 C utladning med en lavere energitetthet på 89 Wh / kg.

Dette er lavere enn LiFePO₄cellens tetthet. Forskjellen kan tilskrives redusert cellevekt. Men LiFePO₄celler har betydelig lavere ytelse enn LiPo-cellene.

Sistnevnte brukes ofte på modelleringskretser, og de har en gjennomsnittlig utladningsspenning på 3,5 V eller mer ved 10 C. Når det gjelder energitetthet, har LiPo-cellene også overtaket med områder mellom 120 Wh / kg og 170 Wh / kg .

I vår neste undersøkelse ladet vi LiFePO fullstendig₄celler ved 1 C og avkjølt dem senere til -8 ° C. Den påfølgende utslipp ved 10 C skjedde ved romtemperatur som er rundt 23 ° C.

Overflatetemperaturen til cellene hadde økt til 9 ° C etter det. Likevel må cellens indre temperatur ha vært betydelig lavere, selv om dens direkte måling ikke var mulig.

I figur 2 kan du se terminalspenningen (rød linje) til de avkjølte cellene dykket i begynnelsen. Da temperaturen steg, kom den tilbake til samme nivå som om testen ble utført med cellene ved omgivelsestemperatur.

Overraskende nok er forskjellen i sluttemperaturen lav (47 ° C mot 49 ° C). Dette er fordi den indre motstanden til cellene er avhengig av temperaturen. Det betyr at når cellene er kalde (lav temperatur), blir vesentlig mer kraft spredt internt.

Den neste undersøkelsen var relatert til utladningsstrømmen der den økte til 15 C (34,5 A), cellene presenterte mer enn sin minimale kapasitet da temperaturen økte til 53 ° C fra 23 ° C.

Testing av ekstrem strømkapasitet for LiFePO₄Celler

Vi har vist deg en enkel kretskonfigurasjon i figur 3. Vi brukte en krets med lav motstand for å måle toppstrømnivåene.

Kombinasjonen av motstander inkludert 1 mΩ shuntmotstand, den innebygde motstanden til 100 A strømvasken og dens tilknytninger (kabelmotstand og kontaktmotstand i MPX-kontakten).

Den ekstreme lave motstanden forhindret at utladningen av en enkelt ladning gikk mer enn 65 A.

Derfor prøvde vi å delegere målingene av høy strøm ved hjelp av to celler i serie som før. På grunn av dette kunne vi måle spenningen mellom cellene ved hjelp av et multimeter.

Den nåværende vasken i dette eksperimentet kan ha blitt overbelastet på grunn av cellens nominelle strøm på 120 A. Ved å begrense omfanget av vår evaluering, overvåket vi temperaturen ved 15 C utladning.

Dette viste at det ikke passer å teste cellene samtidig med deres nominelle kontinuerlige utladningshastighet på 30 C (70 A).

Det er betydelig bevis for at en celleoverflatetemperatur på 65 ° C under utslipp er den øvre grensen for sikkerhet. Så vi konstruerte den resulterende utslippsplanen.

For det første, ved 69 A (30 C) tømmes cellene i 16 sekunder. Deretter ble det fulgt av vekslende ‘gjenopprettings’ intervaller på 11,5 A (5 C) i et halvt minutt.

Etter det var det 10 sekunders pulser ved 69 A. Til slutt, når enten den minste utladningsspenningen eller den maksimalt tillatte temperaturen ble oppnådd, ble utladningen operasjonen avsluttet. Figur 4 viser resultatene som ble oppnådd.

Gjennom de høye belastningsintervallene falt terminalspenningen raskt, noe som representerer at litiumionene inne i cellene har begrenset og langsom bevegelse.

Likevel forbedres cellen raskt under intervaller med lav belastning. Selv om spenningen sakte faller når cellen blir utladet, kan det hende at du finner betydelig mindre nøyaktige spenningsfall ved høyere belastninger, ettersom celletemperaturen øker.

Dette validerer hvordan temperaturen er avhengig av cellens indre motstand.

Vi registrerte en intern motstand mot DC til å være omtrent 11 mΩ (databladet presenterer 10 mΩ) når cellen er halvt utladet.

Da cellen var helt utladet, hadde temperaturen steget til 63 ° C, noe som utsetter den for sikkerhetsrisiko. Dette er fordi det ikke er ekstra kjøling for cellene, og derfor stoppet vi fra å gå videre til testing med lengre pulser med høy belastning.

Batteriet ga en ytelse på 2320 mAh i denne testen som var større enn den nominelle kapasiteten.

Med maksimal forskjell mellom cellespenningene ved 10 mV, var samsvaret mellom dem enestående gjennom hele testen.

Utladningen ved full belastning ble stoppet da terminalspenningen oppnådde 1 V per celle.

Et minutt senere så vi en gjenoppretting av 2,74 V åpen kretsspenning over hver av cellene.

Rask ladetest

Rask ladetester ble utført ved 4 C (9,2 A) uten å inkludere en elektronisk balanser, men vi sjekket kontinuerlig de enkelte cellespenningene.

Når du bruker blybatterier , kan vi bare stille inn den opprinnelige ladestrømmen på grunn av den maksimale og begrensede spenningen levert av laderen.

Ladestrømmen kan også bare stilles inn etter at cellespenningen hadde steget til et punkt der ladestrømmen begynner å reduseres (konstant strøm / konstant spenningslading).

I vårt eksperiment med LiFePO₄, dette skjer etter 10 minutter der varigheten reduseres av effekten av shunten i måleren.

Vi vet at cellen er ladet til 97% eller mer av den nominelle kapasiteten etter at det har gått 20 minutter.

Videre har ladestrømmen på dette stadiet falt til 0,5 A. Som et resultat vil en 'full' tilstand av cellene bli rapportert av en hurtiglader .

Gjennom hurtigladeprosessen beveget cellespenningene seg noen ganger litt fra hverandre, men ikke lenger enn 20 mV.

Men for den samlede prosessen ble cellene ferdig ladet samtidig.

Når du opplever hurtiglading, har cellene en tendens til å varme seg opp ganske mye, med temperaturen noe som henger i ladestrømmen.

Dette kan tilskrives tap i den indre motstanden til cellene.

Det er grunnleggende å følge sikkerhetsforholdsregler når du lader LiFePO₄og ikke utover den foreslåtte ladespenningen på 3,6 V.

Vi prøvde å snike oss litt forbi og forsøkte å 'overbelaste' cellene med en terminalspenning på 7,8 V (3,9 V per celle).

Det anbefales slett ikke å gjenta dette hjemme.

Selv om det ikke var noen merkelig oppførsel som røyking eller lekker, og cellespenningene også var nesten like, men det totale resultatet syntes ikke å være for gunstig.

• 3 C-utladningen ga ytterligere 100 mAh, og den gjennomsnittlige utladningsspenningen var relativt høyere.
• Det vi mener å si er overlading forårsaker en liten omveltning i energitetthet fra 103,6 Wh / kg til 104,6 Wh / kg.
• Det er imidlertid ikke verdt det å tåle risikoen og muligens utsette cellene for permanent skade.

Batterikjemi og evalueringer

Konseptet med å bruke FePO₄nanoteknologi sammen med en litiumbatterikjemi er å heve overflaten av elektrodene som reaksjonene kan finne sted over.

Det er plass for fremtidig innovasjon i grafittanoden (negativ terminal), men når det gjelder katoden, er det betydelig fremgang.

Ved katodene brukes forbindelser (vanligvis oksider) av overgangsmetaller for ionefangst. Metaller som mangan, kobolt og nikkel som brukes av katoder har vært i masseproduksjon.

Videre har hver av dem sine respektive fordeler og ulemper. Produsenten valgte jern, spesielt jernfosfat (FePO4) der de oppdaget et katodemateriale som selv ved lavere spenninger er funksjonelt nok til å tåle ekstrem batterikapasitet.

Primært er Li-Ion-batterier bare kjemisk stabile innenfor et lite spenningsområde 2,3 V til 4,3 V. I begge ender av dette området er det nødvendig med en viss forlikning for levetiden. Praktisk sett anses en øvre grense på 4,2 V som akseptabel, mens 4,1 V anbefales for lengre levetid.

Konvensjonelle litiumbatterier som består av flere celler koblet i serie hold deg innenfor spenningsgrensene gjennom elektroniske tillegg som balansere , equalizere eller presise spenningsbegrensere.

Kompleksiteten til disse kretsene øker når ladestrømmen øker, noe som resulterer i ytterligere strømtap. For brukerne er ikke disse ladeenhetene å foretrekke, da de heller foretrekker celler som tåler dyp utladning.

Videre vil brukerne også ha et bredt temperaturområde og muligheten for hurtiglading. Alle disse setter nanoteknologien FePO₄basert LiFePO₄celler blir favorittene i innovasjonen av Li-Ion-batterier.

Foreløpige konklusjoner

På grunn av deres forseggjorte flate utladningsspenningskurver som forankrer utførelsen av høystrøms industrielle applikasjoner, LiFePO₄eller FePO₄-katode Li-ion-celler er veldig ønskelig.

Ikke bare har de vesentlig mer energitetthet enn konvensjonelle Li-ion-celler, men også en ekstremt høy effekttetthet.

Kombinasjonen av lav indre motstand og lav vekt lover godt for erstatningscellene, avhengig av nikkel eller bly i applikasjoner med høy effekt.

Vanligvis tåler ikke celler kontinuerlig utslipp ved 30 C uten å oppleve en farlig temperaturøkning. Dette er ulempe fordi du ikke vil at en 2,3 Ah-celle skal tømmes ved 70 A på bare to minutter. I denne typen applikasjoner får brukeren bredere alternativer enn tradisjonelle litiumceller.

På baksiden er det et kontinuerlig behov for raskere lading, spesielt hvis ladetiden kan reduseres drastisk. Sannsynligvis er dette en av grunnene til at LiFePO₄celler er tilgjengelig i 36 V (10-serie celler) profesjonelle hammerøvelser.

Litiumceller distribueres best i hybrid- og miljøvennlige biler. Bruker bare fire FePO₄celler (13,2 V) i en batteripakke gir 70% mindre vekt enn et blybatteri. Forbedret produkts livssyklus og betydelig høyere energi på toppen av effekttettheter har støttet utviklingen av hybridbil teknologi i stor grad i nullutslippsbiler.