LiFePO4 Bateri Spesifikasi Pengisian / Pelepasan, Kelebihan Dijelaskan

Walaupun bateri elektrolit polimer Li-Ion dan Lithium (LiPo) mempunyai ketumpatan tenaga yang tidak dapat ditandingi, bateri berasaskan Lithium mahal untuk dihasilkan dan memerlukan pengendalian yang teliti bersama dengan pengisian yang berhati-hati.

Dengan kemajuan nanoteknologi, proses pembuatan elektrod katod untuk bateri ini telah menunjukkan peningkatan yang besar.

Penembusan melalui LiFePO beban tinggi berasaskan nanoteknologi₄sel lebih maju daripada sel Li-ion atau Lipo tradisional.

Mari ketahui lebih lanjut:

Apa itu LiFePO₄Bateri

Bateri fosfat besi litium (LiFePO₄bateri) atau bateri LFP (lithium ferrophosphate), adalah bentuk bateri lithium-ion yang menggunakan LiFePO₄sebagai bahan katod (bateri di dalam katod ini merupakan elektrod positif), dan elektrod karbon grafit yang mempunyai sokongan logam membentuk anod.

Ketumpatan tenaga LiFePO₄lebih kecil berbanding dengan kimia litium kobalt oksida (LiCoO 2) konvensional, serta mempunyai voltan kerja yang lebih kecil.

Kelemahan LiFePO yang paling penting₄adakah kekonduksian elektriknya berkurang. Akibatnya, setiap LiFePO₄katod yang diperhitungkan sebenarnya LiFePO₄/ C.

Oleh kerana kos yang lebih murah, ketoksikan minimum, prestasi yang ditentukan dengan tepat, kestabilan luas, dll. LiFePO₄telah menjadi popular dalam jumlah aplikasi berasaskan kenderaan, aplikasi pegun skala utiliti, dan juga aplikasi inverter, penukar.

Kelebihan LiFePO₄Bateri

Sel nano fosfat mengambil kelebihan sel litium tradisional dan menggabungkannya dengan kelebihan sebatian berasaskan nikel. Semua ini berlaku tanpa mengalami keburukan dari kedua-dua belah pihak.

Ini sesuai Bateri NiCd mempunyai beberapa faedah seperti:

• Keselamatan - Mereka tidak mudah terbakar sehingga tidak memerlukan litar perlindungan.
• Kuat - Bateri mempunyai hayat kitaran tinggi dan kaedah pengecasan standard.
• Toleransi tinggi terhadap beban berat dan pengecasan pantas.
• Mereka mempunyai voltan pelepasan tetap (keluk pelepasan rata).
• Voltan sel tinggi dan pelepasan diri rendah
• Kuasa unggul dan ketumpatan tenaga padat

Perbezaan Antara LiFePO₄dan Bateri Li-Ion

Konvensional Sel Li-ion dilengkapi dengan voltan minimum 3.6 V dan voltan cas 4.1 V. Terdapat perbezaan 0.1 V pada kedua voltan ini dengan pelbagai pengeluar. Inilah perbezaan utama.

Sel nano fosfat mempunyai voltan nominal 3.3 V dan voltan terisi tertindas 3.6 V. Kapasiti normal 2.3 Ah cukup biasa apabila diadu dengan kapasiti 2.5 atau 2.6 Ah yang ditawarkan oleh sel Li-Ion standard.

Kelainan yang lebih ketara adalah pada berat badan. Sel nano fosfat beratnya hanya 70 g sedangkan rakan sejawatnya, sel Sony atau Panasonic Li-Ion masing-masing mempunyai berat 88 g dan 93 g.

Sebab utama ini ditunjukkan pada Rajah 1 di mana selongsong sel nano fosfat maju diperbuat daripada aluminium dan bukan keluli lembaran.

Selain itu, ini memberi kelebihan lain berbanding sel konvensional kerana aluminium lebih baik dalam meningkatkan pengaliran haba dari sel.

Satu lagi reka bentuk yang inovatif ialah selongsong yang membentuk terminal positif sel. Ia dibina dengan lapisan tipis bahan feromagnetik yang membentuk kenalan sebenar.

Mengecas / Melepaskan Spesifikasi dan Berfungsi

Untuk mengelakkan kerosakan bateri pramatang, kami mengesyorkan menerapkan arus / voltan pengecasan maksimum yang dibenarkan, sekiranya anda perlu mengesahkan spesifikasi dari lembar data.

Percubaan kecil kami mendedahkan sifat bateri berubah. Pada setiap kitaran pengisian / pelepasan, kami mencatat penurunan kapasiti sekitar 1 mAh (0,005%) dari kapasiti minimum.

Pada mulanya, kami cuba mengecas LiFePO kami₄sel pada 1 C penuh (2.3 A) dan tetapkan nilai pelepasan pada 4 C (9.2A). Mengejutkan, sepanjang urutan pengisian, tidak ada peningkatan suhu sel. Walau bagaimanapun, semasa pembuangan, suhu meningkat dari 21 ° C hingga 31 ° C.

Ujian pembuangan 10 C (23 A) berjalan dengan baik dengan kenaikan suhu sel yang dicatatkan sebanyak 49 ° C. Setelah voltan sel dikurangkan menjadi 4 V (diukur di bawah beban), bateri memberikan voltan pelepasan min (Um) 5.68 V atau 2.84 V pada setiap sel. Ketumpatan tenaga dikira menjadi 94 Wh / kg.

Pada julat ukuran yang sama, sel Sony 26650VT menyajikan voltan min yang lebih tinggi iaitu 3.24 V pada pelepasan 10 C dengan ketumpatan tenaga yang lebih rendah 89 Wh / kg.

Ini lebih rendah daripada LiFePO₄ketumpatan sel. Perbezaannya boleh dikaitkan dengan penurunan berat badan. Tetapi, LiFePO₄sel mempunyai prestasi yang jauh lebih rendah daripada sel LiPo.

Yang terakhir ini sering digunakan untuk rangkaian pemodelan dan mereka mempunyai voltan pelepasan rata-rata 3,5 V atau lebih pada 10 C. Dari segi ketumpatan tenaga, sel-sel LiPo juga memiliki tangan atas dengan rentang antara 120 Wh / kg dan 170 Wh / kg .

Dalam pemeriksaan seterusnya, kami mengenakan bayaran penuh kepada LiFePO₄sel pada suhu 1 C dan disejukkan kemudian hingga -8 ° C. Pelepasan berikutnya pada suhu 10 C berlaku pada suhu bilik sekitar 23 ° C.

Suhu permukaan sel telah meningkat kepada 9 ° C selepas itu. Namun, suhu dalaman sel pasti jauh lebih rendah walaupun pengukuran langsungnya tidak dapat dilakukan.

Dalam Rajah 2, anda dapat melihat voltan terminal (garis merah) sel yang disejukkan menyelam pada awalnya. Ketika suhu meningkat, suhu kembali ke tingkat yang sama seolah-olah ujian dilakukan dengan sel pada suhu lingkungan.

Anehnya, perbezaan suhu akhir rendah (47 ° C berbanding 49 ° C). Ini kerana rintangan dalaman sel bergantung pada suhu. Ini bermaksud apabila sel-sel sejuk (suhu rendah), lebih banyak daya yang hilang secara dalaman.

Pemeriksaan berikutnya berkaitan dengan arus pelepasan di mana ia meningkat menjadi 15 C (34.5 A), sel-sel menunjukkan lebih dari kapasiti minimum mereka ketika suhu meningkat menjadi 53 ° C dari 23 ° C.

Menguji Kapasiti Arus Ekstrem LiFePO₄Sel

Kami telah menunjukkan kepada anda konfigurasi litar sederhana dalam Rajah 3. Kami menggunakan litar rintangan rendah untuk mengukur tahap arus puncak.

Gabungan rintangan termasuk perintang shunt 1 mΩ, rintangan terbina dalam sink arus 100 A dan kaitannya (rintangan kabel dan rintangan hubungan dalam penyambung MPX).

Rintangan rendah yang melampau menghalang pelepasan cas tunggal melebihi 65 A.

Oleh itu, kami cuba mewakilkan pengukuran arus tinggi menggunakan dua sel secara bersiri seperti sebelumnya. Oleh kerana itu, kita dapat mengukur voltan antara sel menggunakan multimeter.

Tenggelam semasa dalam eksperimen ini mungkin berlebihan kerana arus sel sel 120 A. Dengan mengehadkan tahap penilaian kami, kami memantau kenaikan suhu pada 15 C pelepasan.

Ini menunjukkan bahawa tidak sesuai untuk menguji sel sekaligus pada kadar pelepasan berterusan berkadar 30 C (70 A).

Terdapat bukti besar bahawa suhu permukaan sel 65 ° C semasa pembuangan adalah had atas keselamatan. Oleh itu, kami menyusun jadual pembuangan yang dihasilkan.

Pertama, pada suhu 69 A (30 C) sel dikeluarkan selama 16 saat. Kemudian, diikuti dengan selang ‘pemulihan’ bergantian 11.5 A (5 C) selama setengah minit.

Selepas itu, terdapat denyutan 10 saat pada 69 A. Akhirnya, apabila voltan pelepasan minimum atau suhu maksimum yang dibenarkan dicapai, pelepasan operasi telah berakhir. Gambar 4 menggambarkan hasil yang diperoleh.

Sepanjang selang beban tinggi, voltan terminal turun dengan cepat, menunjukkan bahawa ion litium di dalam sel mempunyai pergerakan yang terhad dan perlahan.

Namun, sel bertambah baik dengan cepat semasa selang beban rendah. Walaupun voltan perlahan-lahan turun ketika sel dilepaskan, anda mungkin mendapati voltan yang jauh kurang tepat jatuh dengan beban yang lebih tinggi, apabila suhu sel meningkat.

Ini mengesahkan bagaimana suhu bergantung pada rintangan dalaman sel.

Kami mencatatkan rintangan dalaman terhadap DC menjadi kira-kira 11 mΩ (lembaran data menunjukkan 10 mΩ) ketika sel dilepaskan separuh.

Ketika sel habis sepenuhnya, suhunya meningkat hingga 63 ° C, yang mendedahkannya kepada risiko keselamatan. Ini kerana tidak ada penyejukan tambahan untuk sel sehingga, kami berhenti dari meneruskan pengujian dengan denyutan beban tinggi yang lebih lama.

Bateri memberikan output 2320 mAh dalam ujian ini yang lebih besar daripada kapasiti nominal.

Dengan perbezaan maksimum antara voltan sel pada 10 mV, pemadanan antara mereka adalah luar biasa sepanjang ujian.

Pelepasan pada beban penuh dihentikan apabila voltan terminal mencapai 1 V setiap sel.

Seminit kemudian, kami melihat pemulihan voltan litar terbuka 2.74 V di setiap sel.

Ujian Pengecasan Pantas

Ujian pengecasan pantas dilakukan pada suhu 4 C (9.2 A) tanpa memasukkan pengimbang elektronik tetapi kami sentiasa memeriksa voltan sel individu.

Semasa menggunakan bateri asid plumbum , kita hanya dapat menetapkan arus pengecasan awal kerana voltan maksimum dan terhad yang dihantar oleh pengecas.

Juga, arus pengecasan hanya dapat diatur setelah voltan sel naik ke titik di mana arus cas mulai berkurang (pengisian voltan arus terus / malar).

Dalam eksperimen kami dengan LiFePO₄, ini berlaku selepas 10 minit di mana tempohnya dikurangkan dengan kesan shunt pada meter.

Kami tahu sel dikenakan kepada 97% atau lebih dari kapasiti nominalnya setelah 20 minit berlalu.

Selanjutnya, arus cas pada tahap ini telah menurun menjadi 0.5 A. Akibatnya, keadaan sel yang 'penuh' akan dilaporkan oleh pengecas pantas .

Sepanjang proses pengecasan pantas, voltan sel kadang-kadang bergerak sedikit antara satu sama lain, tetapi tidak melebihi 20 mV.

Tetapi untuk keseluruhan proses, sel-sel selesai mengecas pada masa yang sama.

Apabila mengalami pengecasan pantas, sel cenderung sedikit panas, dengan suhu yang agak ketinggalan semasa pengisian.

Ini boleh dikaitkan dengan kerugian dalam rintangan dalaman sel.

Adalah mustahak untuk mematuhi langkah keselamatan semasa mengecas LiFePO₄dan tidak melebihi voltan pengecasan yang dicadangkan sebanyak 3.6 V.

Kami cuba menyelinap sedikit dan berusaha untuk 'mengecas berlebihan' sel dengan voltan terminal 7.8 V (3.9 V setiap sel).

Sama sekali tidak disyorkan untuk mengulanginya di rumah.

Walaupun tidak ada tingkah laku aneh seperti merokok atau bocor dan voltan selnya juga hampir sama, tetapi hasil keseluruhannya nampaknya tidak terlalu bermanfaat.

• Pelepasan 3 C membekalkan 100 mAh tambahan dan voltan pelepasan min relatif lebih tinggi.
• Apa yang kami maksudkan ialah pengecasan berlebihan menyebabkan kenaikan ketumpatan tenaga yang kecil dari 103.6 Wh / kg hingga 104.6 Wh / kg.
• Walau bagaimanapun, tidak berbaloi untuk menanggung risiko dan mungkin menyebabkan nyawa sel mengalami kerosakan kekal.

Kimia dan Penilaian Bateri

Konsep penerapan FePO₄nanoteknologi bersama dengan kimia bateri litium adalah untuk meningkatkan permukaan elektrod di mana tindak balas boleh berlaku.

Terdapat ruang untuk inovasi masa depan dalam anod grafit (terminal negatif) kelihatan mendung, tetapi mengenai katod, ada kemajuan besar.

Pada sebatian katod (biasanya oksida) logam peralihan digunakan untuk penangkapan ion. Logam seperti mangan, kobalt dan nikel yang digunakan oleh katod telah dihasilkan secara besar-besaran.

Lebih-lebih lagi, masing-masing mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Pengilang memilih besi, terutama besi fosfat (FePO4) di mana mereka menemui bahan katod yang walaupun pada voltan rendah cukup berfungsi untuk menahan kapasiti bateri yang melampau.

Terutamanya, bateri Li-Ion hanya stabil secara kimia dalam julat voltan kecil 2,3 V hingga 4,3 V. Di kedua hujung julat ini, pendamaian tertentu diperlukan untuk jangka hayat perkhidmatan. Secara praktikal, had atas 4.2 V dianggap boleh diterima sementara 4.1 V disyorkan untuk jangka hayat yang berpanjangan.

Bateri litium konvensional yang terdiri daripada beberapa sel dihubungkan secara bersiri kekal dalam had voltan melalui alat tambah elektronik seperti pengimbang , penyamaan atau pembatas voltan tepat.

Kerumitan litar ini meningkat apabila arus cas meningkat mengakibatkan kehilangan kuasa tambahan. Bagi pengguna, peranti pengecasan ini tidak terlalu disukai kerana mereka lebih suka sel yang tahan lama.

Selain itu, pengguna juga memerlukan julat suhu yang luas dan kemungkinan pengecasan cepat. Semua ini meletakkan FePO teknologi nano₄berdasarkan LiFePO₄sel menjadi kegemaran dalam inovasi bateri Li-Ion.

Kesimpulan awal

Oleh kerana keluk voltan pelepasan rata mereka yang rumit yang melekatkan pelaksanaan aplikasi perindustrian arus tinggi, LiFePO₄atau FePO₄-kod katod Li-Ion sangat diinginkan.

Bukan hanya mempunyai ketumpatan tenaga yang jauh lebih besar daripada sel Li-Ion konvensional, tetapi juga ketumpatan daya yang sangat tinggi.

Kombinasi rintangan dalaman rendah dan berat badan rendah untuk sel penggantian bergantung pada nikel atau plumbum dalam aplikasi daya tinggi.

Lazimnya, sel tidak dapat mengalami pelepasan berterusan pada suhu 30 C tanpa mengalami kenaikan suhu yang berbahaya. Ini tidak menguntungkan kerana anda tidak mahu sel 2,3 Ah habis pada suhu 70 A hanya dalam dua minit. Dalam jenis aplikasi ini, pengguna mendapat pilihan yang lebih luas daripada sel litium tradisional.

Di sisi lain, ada permintaan terus menerus untuk pengisian lebih cepat, terutama jika jangka masa pengisian dapat dikurangkan secara drastik. Mungkin ini adalah salah satu sebab mengapa LiFePO₄sel boleh didapati dalam latihan tukul profesional 36 V (10 sel siri).

Sel Lithium digunakan paling baik dalam kereta hibrid dan mesra alam. Dengan hanya menggunakan empat FePO₄sel (13.2 V) dalam pek bateri menghasilkan berat 70% lebih rendah daripada bateri asid plumbum. Kitaran hayat produk yang bertambah baik dan tenaga yang jauh lebih tinggi di atas ketumpatan kuasa telah menyokong pengembangan kenderaan hibrid teknologi sebahagian besarnya di kenderaan tanpa pelepasan.