Mga pagtutukoy ng LiFePO4 Charging / Discharging ng Baterya, Ipinaliwanag ang Mga kalamangan

Habang ang mga baterya ng Li-Ion at Lithium polymer electrolyte (LiPo) ay nagtataglay ng walang kaparis na lakas ng enerhiya, ang mga baterya na nakabase sa Lithium ay magastos upang makabuo at nangangailangan ng masusing paghawak kasama ang isang maingat na pagsingil.

Sa pagsulong ng nanotechnology, ang proseso ng pagmamanupaktura ng elektrod ng katod para sa mga bateryang ito ay nakakita ng malaking pagpapabuti.

Ang pahinga sa pamamagitan ng nanotechnology-based na mataas na-load LiFePO₄ang mga cell ay mas advanced kaysa sa tradisyunal na Li-ion o Lipo cells.

Alamin ang higit pa:

Ano ang LiFePO₄Baterya

Ang baterya ng lithium iron phosphate (LiFePO₄baterya) o baterya ng LFP (lithium ferrophosphate), ay isang form ng baterya ng lithium-ion na gumagamit ng LiFePO₄tulad ng materyal na katod (sa loob ng mga baterya ang katod na ito ay bumubuo ng positibong elektrod), at isang graphite na carbon electrode na mayroong isang suporta sa metal na bumubuo sa anode.

Ang density ng enerhiya ng LiFePO₄ay mas maliit kumpara sa maginoo lithium cobalt oxide (LiCoO 2) kimika, pati na rin nagtatampok ng isang mas maliit na boltahe sa pagtatrabaho.

Ang pinakamahalagang downside ng LiFePO₄ay ang nabawasan na koryenteng kondaktibiti. Bilang isang resulta, bawat isa sa LiFePO₄ang mga code sa account ay sa katotohanan LiFePO₄/ C.

Dahil sa mas murang gastos, kaunting pagkalason, tiyak na tinukoy na pagganap, malawak na katatagan, atbp. LiFePO₄ay naging tanyag sa bilang ng mga application na nakabatay sa sasakyan, mga application scale na nakatigil na application, at pati na rin sa inverter, mga application ng converter.

Mga kalamangan ng LiFePO₄Baterya

Ang mga nano phosphate cells ay kumukuha ng mga kalamangan ng tradisyonal na mga lithium cell at pinagsasama ang mga ito sa mga pakinabang ng mga nickel-based compound. Nangyayari ang lahat ng ito nang hindi nakakaranas ng mga kawalan ng alinmang panig.

Ang mga ideal na ito Mga baterya ng NiCd magkaroon ng maraming mga perks tulad ng:

• Kaligtasan - Hindi nasusunog ang mga ito kaya hindi na kailangan ng isang circuit ng proteksyon.
• Matatag - Ang mga baterya ay may mataas na buhay sa pag-ikot at isang karaniwang pamamaraan ng pagsingil.
• Mataas na pagpapaubaya sa mabibigat na pagkarga at mabilis na pagsingil.
• Mayroon silang pare-pareho na boltahe ng paglabas (isang flat curve na).
• Mataas na boltahe ng cell at mababang paglabas ng sarili
• Superior power at compact density ng enerhiya

Pagkakaiba sa Pagitan ng LiFePO₄at Baterya ng Li-Ion

Maginoo Mga cell ng Li-ion ay nilagyan ng isang minimum na boltahe ng 3.6 V at isang boltahe ng pagsingil ng 4.1 V. Mayroong pagkakaiba ng 0.1 V sa parehong mga voltages na ito sa iba't ibang mga tagagawa. Ito ang pangunahing pagkakaiba.

Ang mga nano phosphate cells ay mayroong nominal boltahe na 3.3 V at isang pinipigil na sisingilin na boltahe na 3.6 V. Ang normal na kapasidad na 2.3 Ah ay pangkaraniwan kapag nag-aaway laban sa 2.5 o 2.6 Ah na kapasidad na inaalok ng karaniwang mga Li-Ion cell.

Ang mas kilalang pagkakaiba-iba ay nasa timbang. Ang nano phosphate cell ay may bigat lamang na 70 g samantalang ang katapat nito, ang Sony o Panasonic Li-Ion cell ay may bigat na 88 g at 93 g ayon sa pagkakabanggit.

Ang pangunahing dahilan para dito ay ipinakita sa Larawan 1 kung saan ang pambalot ng advanced na nano phosphate cell ay gawa sa aluminyo at hindi sheet steel.

Bilang karagdagan, nagtataglay ito ng isa pang kalamangan sa mga maginoo na mga cell dahil ang aluminyo ay mas mahusay sa pagpapabuti ng pagpapadaloy ng init mula sa selyula.

Ang isa pang makabagong disenyo ay ang pambalot na bumubuo ng positibong terminal ng cell. Ito ay binuo gamit ang isang manipis na layer ng ferromagnetic material na bumubuo sa totoong mga contact.

Mga Pagtutukoy ng Pagcha-charge / Paglalabas at Paggawa

Upang maiwasan ang napaaga na pinsala sa baterya, inirerekumenda namin ang paglalapat ng maximum na pinapayagan na kasalukuyang pagsingil / boltahe, sakaling kailanganin mong i-verify ang mga pagtutukoy mula sa datasheet.

Inilahad ng aming maliit na eksperimento na nagbago ang mga katangian ng baterya. Sa bawat ikot ng singil / paglabas, naitala namin ang isang dip sa kapasidad sa paligid ng 1 mAh (0.005%) ng minimum na kapasidad.

Sa una, tinangka naming singilin ang aming LiFePO₄cell sa buong 1 C (2.3 A) at itakda ang pagpapalabas ng halaga sa 4 C (9.2A). Kagulat-gulat, sa buong pagkakasunud-sunod ng pagsingil, walang pagtaas sa temperatura ng cell. Gayunpaman, sa panahon ng pagpapalabas, ang temperatura ay tumaas mula 21 ° C hanggang 31 ° C.

Ang pagsubok sa paglabas para sa 10 C (23 A) ay maayos na naitala sa isang naitala na pagtaas ng temperatura ng cell na 49 ° C. Sa sandaling ang boltahe ng cell ay nabawasan sa 4 V (sinusukat sa ilalim ng pagkarga), ang baterya ay nagbigay ng isang ibig sabihin boltahe ng paglabas (Um) na 5.68 V o 2.84 V sa bawat cell. Ang density ng enerhiya ay kinalkula na maging 94 Wh / kg.

Sa parehong saklaw ng laki, ang cell ng Sony 26650VT ay nagtatanghal ng isang mas mataas na ibig sabihin boltahe ng 3.24 V sa 10 C paglabas na may isang mas mababang density ng enerhiya na 89 Wh / kg.

Mas mababa ito kaysa sa LiFePO₄density ng cell. Ang pagkakaiba ay maaaring maiugnay sa pagbawas ng timbang sa cell. Ngunit, ang LiFePO₄ang mga cell ay may mas mababang pagganap kaysa sa mga cell ng LiPo.

Ang huli ay madalas na inilalapat sa mga circuit ng pagmomodelo at mayroon silang ibig sabihin na boltahe ng paglabas ng 3.5 V o higit pa sa 10 C. Sa mga tuntunin ng lakas ng enerhiya, ang mga cell ng LiPo ay mayroon ding itaas na kamay na may mga saklaw sa pagitan ng 120 Wh / kg at 170 Wh / kg .

Sa susunod naming pagsusuri, buong singil namin ang LiFePO₄mga cell sa 1 C at pinalamig ang mga ito sa paglaon sa -8 ° C. Ang kasunod na paglabas sa 10 C ay nangyari sa temperatura ng kuwarto na kung saan ay sa paligid ng 23 ° C.

Ang temperatura sa ibabaw ng mga cell ay tumaas sa 9 ° C pagkatapos nito. Gayunpaman, ang panloob na temperatura ng cell ay dapat na makabuluhang mas mababa kahit na ang direktang pagsukat nito ay hindi posible.

Sa Larawan 2, maaari mong makita ang terminal boltahe (pulang linya) ng mga cooled cells na sumisid sa simula. Tulad ng pagtaas ng temperatura, bumalik ito sa parehong antas na parang ang pagsubok ay isinasagawa sa mga cell sa ambient temperatura.

Nakakagulat, ang pagkakaiba sa huling temperatura ay mababa (47 ° C laban sa 49 ° C). Ito ay dahil ang panloob na paglaban ng mga cell ay nakasalalay sa temperatura. Nangangahulugan iyon kapag ang mga cell ay malamig (mababang temperatura), mas malaki ang lakas na mawawala sa loob.

Ang susunod na pagsusuri ay nauugnay sa kasalukuyang paglabas kung saan tumaas ito sa 15 C (34.5 A), ang mga cell ay nagpakita ng higit sa kanilang pinakamaliit na kapasidad habang ang temperatura ay umakyat sa 53 ° C mula sa 23 ° C.

Pagsubok sa Matinding Kasalukuyang Kapasidad ng LiFePO₄Mga cell

Ipinakita namin sa iyo ang isang simpleng pagsasaayos ng circuit sa Larawan 3. Gumamit kami ng isang mababang circuit ng paglaban upang masukat ang mga kasalukuyang antas ng rurok.

Ang kumbinasyon ng mga resistensya kasama ang 1 mΩ shunt risistor, ang built-in na paglaban ng 100 Isang kasalukuyang lababo at mga kasama nito (mga resistensya sa cable at mga resistensya sa pakikipag-ugnay sa konektor ng MPX).

Ang matinding mababang resistensya ay pumigil sa paglabas ng isang solong pagsingil mula sa pagpunta sa higit sa 65 A.

Samakatuwid, tinangka naming idelegate ang mataas na kasalukuyang mga pagsukat gamit ang dalawang mga cell sa serye tulad ng dati. Dahil dito, masusukat namin ang boltahe sa pagitan ng mga cell gamit ang isang multimeter.

Ang kasalukuyang lababo sa eksperimentong ito ay maaaring na-overload dahil sa na-rate na kasalukuyang cell ng 120 A. Sa pamamagitan ng paglilimita sa lawak ng aming pagsusuri, binantayan namin ang pagtaas ng temperatura sa 15 C na paglabas.

Ipinakita nito na hindi angkop na subukan ang mga cell nang sabay-sabay sa kanilang rate ng patuloy na rate ng paglabas ng 30 C (70 A).

Mayroong malaking katibayan na ang temperatura ng ibabaw ng cell na 65 ° C sa panahon ng paglabas ay ang pinakamataas na limitasyon para sa kaligtasan. Kaya, itinayo namin ang nagresultang iskedyul ng paglabas.

Una, sa 69 A (30 C) ang mga cell ay pinalabas ng 16 segundo. Pagkatapos, sinundan ito ng mga alternating agwat ng 'pagbawi' na 11.5 A (5 C) sa kalahating minuto.

Pagkatapos nito, mayroong 10-segundong pulso sa 69 A. Panghuli, kapag ang alinman sa minimum na boltahe ng paglabas o maximum na pinahihintulutang temperatura ay nakamit, ang paglabas ay ang operasyon ay natapos. Ang larawan 4 ay naglalarawan ng mga resulta na nakuha.

Sa buong agwat ng mataas na pag-load, ang boltahe ng terminal ay mabilis na bumaba, na kumakatawan sa mga lithium ions sa loob ng mga cell na pinaghigpitan at mabagal ang paggalaw.

Gayunpaman, ang cell ay mabilis na nagpapabuti sa mga agwat na mababa ang pagkarga. Kahit na ang boltahe ay dahan-dahang bumagsak habang ang cell ay natanggal, maaari kang makahanap ng mas tumpak na pagbagsak ng boltahe ng mas mataas na mga karga, habang tumataas ang temperatura ng cell.

Napatunayan nito kung paano nakasalalay ang temperatura sa panloob na pagtutol ng cell.

Naitala namin ang isang panloob na paglaban sa DC na halos 11 mΩ (datasheet nagtatanghal ng 10 mΩ) kapag ang cell ay kalahating pinalabas.

Kapag ang cell ay ganap na napalabas, ang temperatura ay tumaas sa 63 ° C, na inilalantad ito sa mga panganib sa kaligtasan. Ito ay dahil walang karagdagang paglamig para sa mga cell sa gayon, huminto kami mula sa pagpapatuloy sa pagsubok na may mas matagal na mga pulso na may karga.

Ang baterya ay nagbigay ng isang output ng 2320 mah sa pagsubok na ito na kung saan ay mas malaki kaysa sa nominal na kapasidad.

Na may isang maximum na pagkakaiba sa pagitan ng mga voltages ng cell sa 10 mV, ang pagtutugma sa pagitan ng mga ito ay natitira sa buong pagsubok.

Ang paglabas sa buong pagkarga ay natigil nang makamit ng boltahe ng terminal ang 1 V bawat cell.

Makalipas ang isang minuto, nakita namin ang pagbawi ng 2.74 V bukas na boltahe ng circuit sa bawat isa sa mga cell.

Mabilis na Pagsingil sa Pagsingil

Ang mga pagsubok sa mabilis na pagsingil ay isinasagawa sa 4 C (9.2 A) nang hindi isinasama ang isang elektronikong balanser ngunit patuloy naming sinuri ang mga indibidwal na boltahe ng cell.

Kapag gumagamit mga baterya ng lead-acid , maitatakda lamang namin ang paunang kasalukuyang singilin dahil sa maximum at limitadong boltahe na naihatid ng charger.

Gayundin, maitatakda lamang ang kasalukuyang singilin pagkatapos na ang boltahe ng cell ay tumaas sa isang punto kung saan nagsisimula ang pagbawas ng kasalukuyang singil (pare-pareho ang kasalukuyang / pare-pareho na pagsingil ng boltahe).

Sa aming eksperimento sa LiFePO₄, nangyayari ito pagkalipas ng 10 minuto kung saan ang tagal ay nabawasan ng epekto ng shunt sa metro.

Alam namin na ang cell ay sisingilin sa 97% o higit pa sa nominal na kapasidad nito pagkalipas ng 20 minuto.

Bukod dito, ang kasalukuyang singil sa yugtong ito ay bumaba sa 0.5 A. Bilang isang resulta, ang isang 'buong' estado ng mga cell ay maiuulat ng isang mabilis na charger .

Sa buong proseso ng mabilis na pagsingil, ang mga voltages ng cell kung minsan ay lumipat ng kaunti mula sa bawat isa, ngunit hindi hihigit sa 20 mV.

Ngunit para sa pangkalahatang proseso, natapos ang pagsingil ng mga cell nang sabay.

Kapag nakakaranas ng mabilis na pagsingil, ang mga cell ay may posibilidad na magpainit nang kaunti, na may temperatura na medyo nahuhuli ang kasalukuyang singil.

Maaari itong maiugnay sa pagkalugi sa panloob na paglaban ng mga cell.

Mahalaga na sundin ang mga pag-iingat sa kaligtasan kapag singilin ang LiFePO₄at hindi lalampas sa iminungkahing boltahe ng pagsingil ng 3.6 V.

Sinubukan naming lumusot nang kaunti at sinubukan na 'labis na bayarin' ang mga cell na may boltahe ng terminal na 7.8 V (3.9 V bawat cell).

Hindi man inirerekumenda na ulitin ito sa bahay.

Bagaman walang kakaibang pag-uugali tulad ng paninigarilyo o pagtulo at ang mga voltages ng cell ay halos pantay din, ngunit ang pangkalahatang kinalabasan ay hindi mukhang masyadong kapaki-pakinabang.

• Ang paglabas ng 3 C ay nagbigay ng karagdagang 100 mAh at ang ibig sabihin ng boltahe ng paglabas ay medyo mas mataas.
• Ang ibig sabihin na sabihin ay ang labis na pagsingil ay nagdudulot ng isang maliit na pagtaas ng lakas sa lakas mula 103.6 Wh / kg hanggang 104.6 Wh / kg.
• Gayunpaman, ito ay hindi katumbas ng halaga upang matiis ang mga panganib at posibleng isailalim ang buhay ng mga cell sa permanenteng pinsala.

Ang Chemistry ng Baterya at Mga Pagsusuri

Ang konsepto ng paglalapat ng FePO₄nanotechnology kasama ang isang kimika ng baterya ng lithium ay upang maiangat ang ibabaw na lugar ng mga electrode kung saan maaaring maganap ang mga reaksyon.

Mayroong puwang para sa pagbabago sa hinaharap sa graphite anode (negatibong terminal) na mukhang maulap, ngunit patungkol sa cathode, mayroong malaking pag-unlad.

Sa mga compound ng katod (karaniwang mga oxide) ng mga metal na paglipat ay ginagamit para sa pagkuha ng ion. Ang mga metal tulad ng mangganeso, kobalt at nikel na ginagamit ng mga cathode ay nasa mass production.

Bukod dito, ang bawat isa sa kanila ay may kanya-kanyang kalamangan at kahinaan. Ang tagagawa ay sumali para sa bakal, partikular ang iron phosphate (FePO4) kung saan natuklasan nila ang isang materyal na katod na kahit na sa mas mababang boltahe ay sapat na gumagana ang pagtitiis ng matinding kapasidad ng baterya.

Pangunahin, ang mga baterya ng Li-Ion ay matatag lamang sa kemikal sa loob ng isang maliit na saklaw ng boltahe 2.3 V hanggang 4.3 V. Sa magkabilang dulo ng saklaw na ito ang ilang mga pagkakasundo ay kinakailangan para sa mga tuntunin ng buhay ng serbisyo. Sa praktikal, ang isang itaas na limitasyon ng 4.2 V ay itinuturing na katanggap-tanggap habang 4.1 V ay inirerekumenda para sa matagal na buhay.

Maginoo na mga baterya ng lithium na binubuo ng maraming mga cell na konektado sa serye manatili sa loob ng mga limitasyon ng boltahe sa pamamagitan ng mga elektronikong add-on tulad ng mga balanser , mga pantay pantay o tumpak na mga limitasyon ng boltahe.

Ang pagiging kumplikado ng mga circuit na ito ay tumataas habang tumataas ang mga alon ng singil na nagreresulta sa karagdagang pagkawala ng kuryente. Para sa mga gumagamit, ang mga aparatong nagcha-charge na ito ay hindi masyadong mas gusto dahil mas gusto nila ang mga cell na maaaring matiis ang malalim na paglabas.

Bukod dito, gugustuhin din ng mga gumagamit ang isang malawak na saklaw ng temperatura at ang posibilidad ng mabilis na singilin. Ang lahat ng ito ay naglagay ng nano-technology FePO₄batay sa LiFePO₄Ang mga cell ay naging mga paborito sa pagbabago ng mga baterya ng Li-Ion.

Paunang konklusyon

Dahil sa kanilang detalyadong flat curve ng boltahe na naglalabas sa pagpapatupad ng mga kasalukuyang pang-industriya na aplikasyon, ang LiFePO₄o ang FePO₄-cathode Li-Ion cells ay kanais-nais.

Hindi lamang sila ay may higit na lakas na density ng enerhiya kaysa sa maginoo na mga Li-Ion cell, kundi pati na rin isang labis na mataas na lakas na density.

Ang kombinasyon ng mababang panloob na paglaban at mababang timbang ay nagpapahiwatig ng mabuti para sa mga kapalit na cell depende sa nickel o lead sa mataas na mga application ng kuryente.

Kadalasan, ang mga cell ay hindi makatiis ng tuluy-tuloy na paglabas sa 30 C nang hindi nakakaranas ng isang mapanganib na pagtaas ng temperatura. Dehado ito sapagkat hindi mo gugustuhin ang isang 2.3 Ah cell na maipalabas sa 70 A sa loob lamang ng dalawang minuto. Sa ganitong uri ng mga application, nakakakuha ang gumagamit ng mas malawak na mga pagpipilian kaysa sa tradisyonal na mga lithium cell.

Sa flip side, mayroong isang tuloy-tuloy na pangangailangan para sa mas mabilis na pagsingil, lalo na kung ang tagal ng pagsingil ay maaaring mabawasan nang husto. Marahil ito ang isa sa mga dahilan kung bakit LiFePO₄ang mga cell ay magagamit sa 36 V (10 series cells) propesyonal na martilyo drills.

Ang mga Lithium cell ay pinakamahusay na na-deploy sa mga hybrid at environmentally friendly na mga sasakyan. Gumagamit lamang ng apat na FePO₄ang mga cell (13.2 V) sa isang pack ng baterya ay magbubunga ng 70% mas mababang timbang kaysa sa isang baterya ng lead-acid. Ang pinabuting cycle ng buhay ng produkto at makabuluhang mas mataas na enerhiya sa tuktok ng mga density ng lakas ay suportado ang pag-unlad ng sasakyang hybrid higit sa lahat ang teknolohiya sa mga sasakyan na zero-emission.