LiFePO4 Batteriladdning / urladdning Specifikationer, fördelar förklarade

Medan Li-ion- och litiumpolymerelektrolytbatterier (LiPo) har oöverträffad energitäthet, är litiumbaserade batterier dyra att producera och behöver noggrann hantering tillsammans med en försiktig laddning.

Med nanoteknikens framsteg har tillverkningsprocessen för katodelektroden för dessa batterier sett en avsevärd förbättring.

Avbrottet i nanoteknikbaserad LiFePO med hög belastning₄celler är mer avancerade än de traditionella Li-jon- eller Lipo-cellerna.

Låt oss lära oss mer:

Vad är LiFePO₄Batteri

Litiumjärnfosfatbatteriet (LiFePO₄batteri) eller LFP-batteri (litiumferrofosfat), är en form av litium jon batteri som använder LiFePO₄som katodmaterial (inuti batterier utgör denna katod den positiva elektroden) och en grafitkolelektrod med ett metallstöd som bildar anoden.

LiFePOs energitäthet₄är mindre jämfört med konventionell litiumkobaltoxid (LiCoO 2) -kemi, och har en mindre arbetsspänning.

Den viktigaste nackdelen med LiFePO₄är dess reducerade elektriska ledningsförmåga. Som ett resultat, var och en av LiFePO₄katoder är faktiskt LiFePO₄/ C.

På grund av billigare kostnader, minimal toxicitet, exakt specificerad prestanda, omfattande stabilitet etc. LiFePO₄har blivit populärt i antal fordonsbaserade applikationer, stationära applikationer för verktygsskala, och även i applikationer för växelriktare, omvandlare.

Fördelar med LiFePO₄Batteri

Nanofosfatcellerna tar fördelarna med traditionella litiumceller och slår ihop dem med fördelarna med nickelbaserade föreningar. Alla dessa händer utan att uppleva nackdelarna med någon av sidorna.

Dessa idealiska NiCd-batterier har flera förmåner som:

• Säkerhet - De är icke brandfarliga så det finns inget behov av en skyddskrets.
• Robusta - Batterierna har en lång livslängd och en standardladdningsmetod.
• Hög tolerans mot tunga laster och snabb laddning.
• De har en konstant urladdningsspänning (en platt urladdningskurva).
• Hög cellspänning och låg självurladdning
• Överlägsen kraft och kompakt energitäthet

Skillnad mellan LiFePO₄och Li-Ion-batteri

Konventionell Li-jonceller är utrustade med en minsta spänning på 3,6 V och en laddningsspänning på 4,1 V. Det finns en skillnad på 0,1 V vid båda dessa spänningar hos olika tillverkare. Detta är den största skillnaden.

Nano-fosfatcellerna har en nominell spänning på 3,3 V och en undertryckt laddad spänning på 3,6 V. Den normala kapaciteten på 2,3 Ah är ganska vanlig när den ställs mot den 2,5 eller 2,6 Ah kapacitet som erbjuds av standard Li-Ion-celler.

Den mer framträdande skillnaden är i vikten. Nanofosfatcellen väger endast 70 g medan dess motsvarighet, Sony eller Panasonic Li-Ion-cellen har en vikt på 88 g respektive 93 g.

Huvudskälet till detta visas i figur 1 där höljet i den avancerade nanofosfatcellen är gjord av aluminium och inte stålplåt.

Dessutom har detta en annan fördel jämfört med konventionella celler eftersom aluminium är bättre på att förbättra värmeledningen från cellen.

Ytterligare en innovativ design är höljet som utgör cellens positiva terminal. Den är byggd med ett tunt lager av ferromagnetiskt material som bildar de verkliga kontakterna.

Laddnings- / urladdningsspecifikationer och arbete

För att förhindra för tidig skada på batteriet rekommenderar vi att du använder den maximalt tillåtna laddningsströmmen / spänningen, om du skulle behöva verifiera specifikationerna från databladet.

Vårt lilla experiment avslöjade egenskaperna hos batteriet förändrats. Vid varje laddnings- / urladdningscykel registrerade vi en kapacitetsnedgång på cirka 1 mAh (0,005%) av minsta kapacitet.

Först försökte vi ladda vår LiFePO₄cell vid full 1 C (2,3 A) och ställ in urladdningsvärdet vid 4 C (9,2 A). Förvånansvärt, under hela laddningssekvensen fanns det ingen ökning av celltemperaturen. Under urladdningen höjdes emellertid temperaturen från 21 ° C till 31 ° C.

Urladdningstestet för 10 C (23 A) gick bra med en registrerad celltemperaturökning på 49 ° C. När cellspänningen väl minskat till 4 V (mätt under belastning) gav batteriet en genomsnittlig urladdningsspänning (Um) på 5,68 V eller 2,84 V på varje cell. Energitätheten beräknades till 94 Wh / kg.

I samma storleksintervall presenterar Sony 26650VT-cellen en högre medelspänning på 3,24 V vid 10 C urladdning med en lägre energitäthet på 89 Wh / kg.

Detta är lägre än LiFePO₄cellens densitet. Skillnaden kan hänföras till minskad cellvikt. Men LiFePO₄celler har betydligt lägre prestanda än LiPo-cellerna.

Det senare används ofta på modelleringskretsar och de har en genomsnittlig urladdningsspänning på 3,5 V eller mer vid 10 C. När det gäller energitäthet har LiPo-cellerna också överhand med intervaller mellan 120 Wh / kg och 170 Wh / kg .

Vid nästa undersökning laddade vi LiFePO helt₄celler vid 1 C och kyldes dem senare till -8 ° C. Den efterföljande urladdningen vid 10 C hände vid rumstemperatur som är cirka 23 ° C.

Cytternas yttemperatur har ökat till 9 ° C efter det. Ändå måste cellens inre temperatur ha varit betydligt lägre även om dess direkta mätning inte var möjlig.

I figur 2 kan du se terminalspänningen (röd linje) för de kylda cellerna som dykt i början. När temperaturen steg återvände den till samma nivå som om testet utfördes med cellerna vid rumstemperatur.

Överraskande nog är skillnaden i den slutliga temperaturen låg (47 ° C mot 49 ° C). Detta beror på att cellernas inre motstånd är beroende av temperaturen. Det betyder att när cellerna är kalla (låg temperatur) försvinner betydligt mer kraft internt.

Nästa undersökning var relaterad till urladdningsströmmen där den ökade till 15 ° C (34,5 A), cellerna presenterade mer än sin minimikapacitet då temperaturen eskalerade till 53 ° C från 23 ° C.

Testar LiFePOs extrema strömkapacitet₄Celler

Vi har visat dig en enkel kretskonfiguration i Figur 3. Vi använde en lågmotståndskrets för att mäta toppströmnivåerna.

Kombinationen av motstånd inklusive 1 mΩ shuntmotstånd, det inbyggda motståndet för 100 A strömavloppet och dess tillhörande (kabelmotstånd och kontaktmotstånd i MPX-kontakten).

Det extremt låga motståndet förhindrade urladdningen av en enda laddning från att gå mer än 65 A.

Därför försökte vi delegera högströmsmätningarna med två celler i serie som tidigare. På grund av detta kunde vi mäta spänningen mellan cellerna med hjälp av en multimeter.

Den aktuella diskbänken i detta experiment kan ha överbelastats på grund av cellens märkström på 120 A. Genom att begränsa omfattningen av vår utvärdering övervakade vi temperaturen höjs vid 15 C urladdning.

Detta visade att det inte passar att testa cellerna på en gång vid deras nominella kontinuerliga urladdningshastighet på 30 C (70 A).

Det finns väsentliga bevis för att en cellyttemperatur på 65 ° C under urladdning är den övre gränsen för säkerhet. Så vi konstruerade det resulterande urladdningsschemat.

För det första, vid 69 A (30 C) urladdas cellerna i 16 sekunder. Därefter följdes det av alternerande 'återställnings' intervaller på 11,5 A (5 C) under en halv minut.

Därefter fanns pulser på 10 sekunder vid 69 A. Slutligen, när antingen minsta urladdningsspänning eller högsta tillåtna temperatur uppnåddes, avslutades urladdningen. Figur 4 visar resultaten som erhölls.

Under de höga belastningsintervallen sjönk terminalspänningen snabbt, vilket representerar att litiumjonerna inuti cellerna har begränsad och långsam rörelse.

Ändå förbättras cellen snabbt under intervallerna med låg belastning. Även om spänningen långsamt sjunker när cellen laddas ur, kan du hitta betydligt mindre exakta spänningsfall av de högre belastningarna när celltemperaturen ökar.

Detta validerar hur temperaturen är beroende av cellens interna motstånd.

Vi registrerade ett internt motstånd mot DC till att vara cirka 11 mΩ (datablad presenterar 10 mΩ) när cellen är halvt urladdad.

När cellen var helt urladdad hade temperaturen stigit till 63 ° C, vilket utsätter den för säkerhetsrisker. Detta beror på att det inte finns någon ytterligare kylning för cellerna, så vi slutade att fortsätta till testning med längre pulser med hög belastning.

Batteriet gav en effekt på 2320 mAh i detta test vilket var större än den nominella kapaciteten.

Med en maximal skillnad mellan cellspänningarna vid 10 mV var matchningen mellan dem enastående under hela testet.

Urladdningen vid full belastning stoppades när utgångsspänningen uppnådde 1 V per cell.

En minut senare såg vi en återhämtning av 2,74 V öppen kretsspänning över var och en av cellerna.

Snabb laddningstest

Snabbladdningstester utfördes vid 4 ° C (9,2 A) utan att ha en elektronisk balanserare men vi kontrollerade ständigt de enskilda cellspänningarna.

När man använder blybatterier kan vi bara ställa in den initiala laddningsströmmen på grund av den maximala och begränsade spänningen som laddaren levererar.

Laddningsströmmen kan också bara ställas in efter att cellspänningen steg till en punkt där laddningsströmmen börjar minska (konstant ström / konstant spänningsladdning).

I vårt experiment med LiFePO₄, detta händer efter 10 minuter där varaktigheten minskas av effekten av shunten i mätaren.

Vi vet att cellen laddas till 97% eller mer av sin nominella kapacitet efter 20 minuter.

Vidare har laddningsströmmen i detta skede sjunkit till 0,5 A. Som ett resultat kommer ett 'fullständigt' tillstånd hos cellerna att rapporteras av en snabbladdare .

Under den snabba laddningsprocessen rörde sig cellspänningarna ibland lite från varandra, men inte längre än 20 mV.

Men för hela processen slutade cellerna ladda samtidigt.

När du upplever snabb laddning tenderar cellerna att värmas upp ganska lite, med temperaturen något eftersläpande laddningsströmmen.

Detta kan hänföras till förluster i cellernas interna motstånd.

Det är grundläggande att följa säkerhetsåtgärder när du laddar LiFePO₄och inte längre än den föreslagna laddningsspänningen på 3,6 V.

Vi försökte smyga oss förbi lite och försökte 'överladda' cellerna med en terminal spänning på 7,8 V (3,9 V per cell).

Det rekommenderas inte alls att upprepa detta hemma.

Även om det inte fanns något konstigt beteende som rökning eller läckage och cellspänningarna också var nästan lika, men det totala resultatet verkade inte vara för fördelaktigt.

• 3 C urladdningen gav ytterligare 100 mAh och medelurladdningsspänningen var relativt högre.
• Vad vi menar är att överladdning orsakar en liten omvälvning i energitätheten från 103,6 Wh / kg till 104,6 Wh / kg.
• Det är dock inte värt det att uthärda riskerna och eventuellt utsätta cellernas liv för permanent skada.

Batterikemi och utvärderingar

Konceptet att tillämpa FePO₄nanoteknik tillsammans med litiumbatterikemi är att höja ytan på elektroderna över vilka reaktioner kan äga rum.

Det finns utrymme för framtida innovation i grafitanoden (negativ terminal) ser grumlig ut, men när det gäller katoden är det stora framsteg.

Vid katoden används föreningar (vanligtvis oxider) av övergångsmetaller för joninfångning. Metaller som mangan, kobolt och nickel som används av katoder har varit i massproduktion.

Dessutom har var och en av sina fördelar och nackdelar. Tillverkaren valde järn, särskilt järnfosfat (FePO4) där de upptäckte ett katodmaterial som även vid lägre spänningar är tillräckligt funktionella för att uthärda extrem batterikapacitet.

I första hand är Li-Ion-batterier endast kemiskt stabila inom ett litet spänningsområde 2,3 V till 4,3 V. I båda ändarna av detta intervall krävs viss förlikning för livslängden. I praktiken anses en övre gräns på 4,2 V vara acceptabel, medan 4,1 V rekommenderas för en längre livslängd.

Konventionella litiumbatterier som består av flera celler kopplade i serie hålla sig inom spänningsgränserna genom elektroniska tillägg som balanserare , utjämnare eller exakta spänningsbegränsare.

Komplexiteten hos dessa kretsar ökar när laddningsströmmarna ökar vilket resulterar i ytterligare effektförluster. För användare är dessa laddningsenheter inte alltför föredragna eftersom de hellre föredrar celler som tål djup urladdning.

Dessutom vill användarna också ha ett brett temperaturområde och möjlighet till snabb laddning. Alla dessa sätter nanoteknologin FePO₄baserad LiFePO₄celler blir favoriter i innovationen av Li-Ion-batterier.

Preliminära slutsatser

På grund av deras detaljerade platta urladdningsspänningskurvor som förankrar utförandet av industriella applikationer med hög ström, LiFePO₄eller FePO₄-katod-Li-jonceller är mycket önskvärda.

Inte bara har de betydligt mer energitäthet än konventionella Li-ion-celler, utan också en mycket hög effektdensitet.

Kombinationen av låg inre motstånd och låg vikt är bra för ersättningscellerna beroende på nickel eller bly i applikationer med hög effekt.

Vanligtvis kan celler inte uthärda kontinuerlig urladdning vid 30 ° C utan att uppleva en farlig temperaturökning. Detta är en nackdel eftersom du inte vill att en 2,3 Ah-cell ska laddas ur vid 70 A på bara två minuter. I denna typ av applikationer får användaren bredare alternativ än traditionella litiumceller.

På baksidan finns det ett kontinuerligt behov av snabbare laddning, särskilt om laddningstiden kan minskas drastiskt. Förmodligen är detta en av anledningarna till varför LiFePO₄celler finns i 36 V (10-serie celler) professionella hammarborrar.

Litiumceller används bäst i hybrid- och miljövänliga bilar. Med bara fyra FePO₄celler (13,2 V) i ett batteripaket ger 70% lägre vikt än ett blysyrabatteri. Förbättrad produktlivscykel och betydligt högre energi utöver effekttätheten har stöttat utvecklingen av hybridfordon teknik till stor del i utsläppsfria fordon.