Характеристики зарядки / разрядки аккумулятора LiFePO4, объяснение преимуществ

В то время как литий-ионные и литий-полимерные батареи с электролитом (LiPo) обладают непревзойденной плотностью энергии, литиевые батареи являются дорогостоящими в производстве и требуют тщательного обращения с осторожной зарядкой.

С развитием нанотехнологий процесс изготовления катодного электрода для этих батарей значительно улучшился.

Прорыв на основе нанотехнологий с высокой нагрузкой LiFePO₄клетки более развиты, чем традиционные литий-ионные или липо-клетки.

Узнаем больше:

Что такое LiFePO₄Аккумулятор

Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO₄аккумулятор) или аккумулятор LFP (феррофосфат лития), является формой литий-ионный аккумулятор в котором используется LiFePO₄в качестве материала катода (внутри батарей этот катод составляет положительный электрод) и графитовый углеродный электрод, имеющий металлическую основу, образующую анод.

Плотность энергии LiFePO₄меньше по сравнению с обычным химическим составом оксида лития-кобальта (LiCoO 2), а также имеет меньшее рабочее напряжение.

Самый важный недостаток LiFePO₄его пониженная электропроводность. В результате каждый из LiFePO₄катоды в действительности являются LiFePO₄/ С.

Благодаря более низкой стоимости, минимальной токсичности, точно заданным характеристикам, высокой стабильности и т. Д. LiFePO₄стал популярным в ряде приложений на транспортных средствах, стационарных приложениях для коммунальных сетей, а также в инверторах и преобразователях.

Преимущества LiFePO₄Аккумулятор

В нанофосфатных элементах использованы преимущества традиционных литиевых элементов и объединены преимущества соединений на основе никеля. Все это происходит без учета недостатков ни одной из сторон.

Эти идеальные NiCd батареи есть несколько льгот, например:

• Безопасность - они негорючие, поэтому в цепи защиты нет необходимости.
• Надежность - батареи имеют длительный срок службы и имеют стандартный метод зарядки.
• Высокая устойчивость к большим нагрузкам и быстрой зарядке.
• У них постоянное напряжение разряда (плоская кривая разряда).
• Высокое напряжение элемента и низкий саморазряд
• Превосходная мощность и компактная плотность энергии

Разница между LiFePO₄и литий-ионный аккумулятор

Общепринятый Литий-ионные элементы оснащены минимальным напряжением 3,6 В и напряжением заряда 4,1 В. Разница между этими напряжениями у разных производителей составляет 0,1 В. В этом главное отличие.

Нанофосфатные элементы имеют номинальное напряжение 3,3 В и подавляемое напряжение заряда 3,6 В. Нормальная емкость 2,3 Ач является довольно распространенной, если сравнивать ее с емкостью 2,5 или 2,6 Ач, предлагаемой стандартными литий-ионными элементами.

Наиболее заметное различие - в весе. Нанофосфатный элемент весит всего 70 г, тогда как его аналог, литий-ионный элемент Sony или Panasonic, весит 88 г и 93 г соответственно.

Основная причина этого показана на рисунке 1, где корпус усовершенствованной нанофосфатной ячейки изготовлен из алюминия, а не из листовой стали.

Кроме того, это имеет еще одно преимущество перед обычными ячейками, поскольку алюминий лучше улучшает теплопроводность ячейки.

Еще одна инновационная конструкция - это корпус, который образует положительный полюс элемента. Он построен из тонкого слоя ферромагнитного материала, который образует настоящие контакты.

Характеристики и работа зарядки / разрядки

Чтобы предотвратить преждевременное повреждение аккумулятора, мы рекомендуем использовать максимально допустимый зарядный ток / напряжение на случай, если вам потребуется проверить спецификации из таблицы данных.

Наш небольшой эксперимент показал, что свойства батареи изменились. При каждом цикле зарядки / разрядки мы фиксировали падение емкости примерно на 1 мАч (0,005%) от минимальной емкости.

Сначала мы попытались зарядить наш LiFePO₄аккумулятор на 1 ° C (2,3 A) и установите значение разряда на 4 ° C (9,2 A). Удивительно, но на протяжении всей последовательности зарядки не наблюдалось повышения температуры элементов. Однако во время разряда температура повысилась с 21 ° C до 31 ° C.

Испытание на разряд при 10 C (23 A) прошло успешно, зарегистрированное повышение температуры элемента составило 49 ° C. Как только напряжение элемента снизилось до 4 В (измерено под нагрузкой), батарея обеспечила среднее напряжение разряда (Um) 5,68 В или 2,84 В на каждую ячейку. Расчетная плотность энергии составила 94 Втч / кг.

В том же диапазоне размеров элемент Sony 26650VT обеспечивает более высокое среднее напряжение 3,24 В при разряде 10 ° C с более низкой плотностью энергии 89 Втч / кг.

Это ниже, чем у LiFePO.₄плотность клеток. Разницу можно объяснить уменьшением веса клеток. Но LiFePO₄элементы имеют значительно более низкую производительность, чем элементы LiPo.

Последний часто применяется для моделирования схем, и они имеют среднее напряжение разряда 3,5 В или более при 10 C. С точки зрения плотности энергии, LiPo-элементы также имеют преимущество с диапазонами от 120 Втч / кг до 170 Втч / кг. .

В следующем исследовании мы полностью зарядили LiFePO.₄ячейки при 1 ° C, а затем охладили их до -8 ° C. Последующий разряд при 10 ° C произошел при комнатной температуре, которая составляет около 23 ° C.

После этого температура поверхности клеток повысилась до 9 ° C. Тем не менее, внутренняя температура ячейки должна была быть значительно ниже, хотя ее прямое измерение было невозможно.

На Рисунке 2 вы можете увидеть напряжение на клеммах (красная линия) охлажденных ячеек, пониженное вначале. По мере повышения температуры она возвращалась к тому же уровню, как если бы тест проводился с ячейками при температуре окружающей среды.

Удивительно, но разница конечных температур невелика (47 ° C против 49 ° C). Это связано с тем, что внутреннее сопротивление ячеек зависит от температуры. Это означает, что когда элементы холодные (низкая температура), значительно больше мощности рассеивается внутри.

Следующее исследование было связано с разрядным током, где он увеличился до 15 C (34,5 A), ячейки показали больше, чем их минимальная емкость, когда температура повысилась до 53 ° C с 23 ° C.

Тестирование предельной токовой нагрузки LiFePO₄Клетки

Мы показали вам простую конфигурацию схемы на рисунке 3. Мы использовали схему с низким сопротивлением для измерения пиковых уровней тока.

Комбинация сопротивлений, включая шунтирующий резистор 1 мОм, встроенное сопротивление приемника тока 100 А и его сопутствующие элементы (сопротивления кабелей и контактные сопротивления в разъеме MPX).

Чрезвычайно низкое сопротивление не позволяло разрядке одного заряда превышать 65 А.

Поэтому мы попытались делегировать сильноточные измерения с использованием двух последовательно соединенных ячеек, как и раньше. Благодаря этому мы могли измерить напряжение между ячейками с помощью мультиметра.

Поглотитель тока в этом эксперименте мог быть перегружен из-за номинального тока элемента в 120 А. Ограничивая степень нашей оценки, мы отслеживали повышение температуры при разряде 15 ° C.

Это показало, что нецелесообразно тестировать все элементы сразу при номинальной скорости непрерывного разряда 30 C (70 A).

Имеются убедительные доказательства того, что температура поверхности элемента 65 ° C во время разряда является верхним пределом безопасности. Итак, мы построили итоговый график выписок.

Во-первых, при 69 А (30 С) элементы разряжаются за 16 секунд. Затем последовали чередующиеся интервалы «восстановления» 11,5 А (5 С) в течение получаса.

После этого были 10-секундные импульсы при 69 А. Наконец, когда было достигнуто минимальное напряжение разряда или максимально допустимая температура, операция разряда завершалась. На рис. 4 показаны полученные результаты.

В течение интервалов высокой нагрузки напряжение на клеммах быстро падало, что означает, что ионы лития внутри элементов имеют ограниченное и медленное движение.

Тем не менее, ячейка быстро улучшается во время интервалов низкой нагрузки. Хотя напряжение медленно падает по мере разряда элемента, вы можете обнаружить значительно менее точное падение напряжения при более высоких нагрузках, поскольку температура элемента увеличивается.

Это подтверждает, как температура зависит от внутреннего сопротивления ячейки.

Мы зафиксировали внутреннее сопротивление постоянному току, равное примерно 11 мОм (в таблице данных указано 10 мОм), когда элемент наполовину разряжен.

Когда элемент полностью разряжен, температура поднялась до 63 ° C, что подвергает его опасности. Это связано с тем, что для ячеек не требуется дополнительного охлаждения, поэтому мы перестали переходить к тестированию с более длинными импульсами высокой нагрузки.

В этом тесте аккумулятор выдал 2320 мАч, что превышает номинальную емкость.

При максимальной разнице между напряжениями ячеек в 10 мВ согласование между ними было выдающимся на протяжении всего теста.

Разряд при полной нагрузке прекращался, когда напряжение на клеммах достигало 1 В на элемент.

Минутой позже мы увидели восстановление напряжения холостого хода 2,74 В на каждой из ячеек.

Тест быстрой зарядки

Тесты быстрой зарядки проводились при 4 C (9,2 A) без использования электронного балансира, но мы постоянно проверяли напряжения отдельных элементов.

Когда используешь свинцово-кислотные батареи , мы можем установить только начальный ток зарядки из-за максимального и ограниченного напряжения, подаваемого зарядным устройством.

Кроме того, зарядный ток можно установить только после того, как напряжение элемента повысится до точки, при которой зарядный ток начнет уменьшаться (зарядка при постоянном токе / постоянном напряжении).

В нашем эксперименте с LiFePO₄, это происходит через 10 минут, когда продолжительность уменьшается из-за воздействия шунта в измерителе.

Мы знаем, что аккумулятор заряжен до 97% или более своей номинальной емкости по истечении 20 минут.

Кроме того, зарядный ток на этом этапе упал до 0,5 А. В результате о «полном» состоянии ячеек сообщит быстрое зарядное устройство .

В процессе быстрой зарядки напряжения элементов иногда немного сдвигались друг с другом, но не превышали 20 мВ.

Но в целом аккумуляторы заканчивали заряжаться одновременно.

При быстрой зарядке элементы имеют тенденцию немного нагреваться, при этом температура несколько отстает от тока заряда.

Это можно объяснить потерями во внутреннем сопротивлении ячеек.

При зарядке LiFePO очень важно соблюдать меры безопасности.₄и не выше рекомендованного зарядного напряжения 3,6 В.

Мы попытались немного проскользнуть мимо и попытались «перезарядить» элементы с помощью напряжения на клеммах 7,8 В (3,9 В на элемент).

Совершенно не рекомендуется повторять это дома.

Хотя не было никакого странного поведения, такого как курение или утечка, и напряжения ячеек также были почти одинаковыми, но общий результат не оказался слишком благоприятным.

• Разряд 3 ° C потреблял дополнительно 100 мАч, а среднее напряжение разряда было относительно выше.
• То, что мы имеем в виду, заключается в том, что перезарядка вызывает небольшой скачок плотности энергии с 103,6 Втч / кг до 104,6 Втч / кг.
• Однако не стоит терпеть риски и, возможно, подвергать жизнь клеток необратимому повреждению.

Химический состав аккумуляторов и оценки

Концепция применения FePO₄Нанотехнология вместе с химией литиевых батарей заключается в увеличении площади поверхности электродов, на которой могут происходить реакции.

Пространство для будущих инноваций в графитовом аноде (отрицательный вывод) выглядит туманным, но в отношении катода есть существенный прогресс.

На катоде соединения (обычно оксиды) переходных металлов используются для захвата ионов. Металлы, такие как марганец, кобальт и никель, которые используются в катодах, были в массовом производстве.

Более того, у каждого из них есть свои плюсы и минусы. Производитель выбрал железо, в частности фосфат железа (FePO4), в котором они обнаружили катодный материал, который даже при более низких напряжениях является достаточно функциональным, чтобы выдерживать экстремальную емкость батареи.

В первую очередь, литий-ионные батареи химически стабильны только в крошечном диапазоне напряжений от 2,3 В до 4,3 В. В обоих концах этого диапазона необходимо определенное согласование для срока службы. На практике приемлемым считается верхний предел 4,2 В, а для продления срока службы рекомендуется 4,1 В.

Обычные литиевые батареи, состоящие из несколько ячеек, соединенных последовательно оставаться в пределах напряжения с помощью электронных надстроек, таких как балансиры , эквалайзеры или точные ограничители напряжения.

Сложность этих схем возрастает по мере увеличения зарядных токов, что приводит к дополнительным потерям мощности. Для пользователей эти зарядные устройства не слишком предпочтительны, поскольку они предпочли бы элементы, способные выдержать глубокую разрядку.

Кроме того, пользователям также понравится широкий температурный диапазон и возможность быстрой зарядки. Все это ставит нанотехнология FePO.₄на основе LiFePO₄элементы становятся фаворитами в инновациях литий-ионных аккумуляторов.

Предварительные выводы

Из-за тщательно продуманных плоских кривых напряжения разряда, которые закрепляют выполнение сильноточных промышленных приложений, LiFePO₄или FePO₄-катодные Li-Ion ячейки очень желательны.

Они не только имеют значительно большую плотность энергии, чем обычные литий-ионные элементы, но также чрезвычайно высокую плотность мощности.

Комбинация низкого внутреннего сопротивления и малого веса является хорошим предзнаменованием для замены элементов питания в зависимости от никеля или свинца в приложениях с высокой мощностью.

Как правило, элементы не могут выдерживать непрерывную разрядку при 30 ° C без опасного повышения температуры. Это невыгодно, потому что вы не хотите, чтобы батарея на 2,3 Ач разряжалась при 70 А всего за две минуты. В приложениях этого типа пользователь получает более широкие возможности, чем традиционные литиевые элементы.

С другой стороны, существует постоянная потребность в более быстрой зарядке, особенно если продолжительность зарядки может быть значительно уменьшена. Наверное, это одна из причин, по которой LiFePO₄ячейки доступны в профессиональных перфораторах 36 В (10 ячеек).

Литиевые элементы лучше всего использовать в гибридных и экологически чистых автомобилях. Используя всего четыре FePO₄элементы (13,2 В) в аккумуляторном блоке имеют на 70% меньший вес, чем свинцово-кислотный аккумулятор. Улучшенный жизненный цикл продукта и значительно более высокая энергия помимо удельной мощности способствовали развитию гибридный автомобиль технологии в основном в автомобилях с нулевым уровнем выбросов.