LiFePO4 aku laadimise / tühjendamise spetsifikatsioonid, selgitatud eelised

Kui liitium-ioon- ja liitiumpolümeer-elektrolüüdi (LiPo) patareidel on võrreldamatu energiatihedus, on liitiumil põhinevate patareide tootmine kulukas ja vajab ettevaatlikku laadimist.

Nanotehnoloogia edenedes on nende patareide katoodelektroodi tootmisprotsess oluliselt paranenud.

Nanotehnoloogial põhineva suure koormusega LiFePO läbimurre₄rakud on arenenumad kui traditsioonilised Li-ioon- või Lipo-rakud.

Vaatame rohkem:

Mis on LiFePO₄Aku

Liitiumraudfosfaadi aku (LiFePO₄aku) või LFP-aku (liitiumferrofosfaat), on selle vorm liitiumioonaku mis kasutab LiFePO-d₄katoodimaterjalina (patareide sees moodustab see katood positiivse elektroodi) ja grafiidist süsinikelektroodil, millel on anood moodustav metallist tugi.

LiFePO energiatihedus₄on tavalise liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO 2) keemiaga võrreldes väiksem, samuti on sellel väiksem tööpinge.

LiFePO kõige olulisem negatiivne külg₄on selle vähenenud elektrijuhtivus. Selle tulemusena on iga LiFePO₄katoodid on tegelikult LiFePO₄/ C.

Tänu odavamatele kuludele, minimaalsele mürgisusele, täpselt määratletud jõudlusele, ulatuslikule stabiilsusele jne. LiFePO₄on muutunud populaarseks nii sõidukipõhiste rakenduste, statsionaarsete kasulike rakenduste kui ka inverter-, muundurrakenduste hulgas.

LiFePO eelised₄Aku

Nanofosfaatrakud võtavad traditsiooniliste liitiumrakkude eelised ja ühendavad need niklipõhiste ühendite eelistega. Kõik need juhtuvad ilma kummagi poole puudusi kogemata.

Need ideaalsed NiCd patareid on mitu hüve nagu:

• Ohutus - need ei ole tuleohtlikud, seega pole kaitseahelat vaja.
• Tugev - akudel on kõrge kasutusiga ja tavaline laadimismeetod.
• Suur taluvus rasketele koormustele ja kiire laadimine.
• Neil on konstantne tühjenduspinge (tasane tühjenduskõver).
• Kõrge rakupinge ja madal isetühjenemine
• Suurepärane võimsus ja kompaktne energiatihedus

Erinevus LiFePO vahel₄ja liitiumioonaku

Tavapärane Li-ioonrakud on varustatud minimaalse pingega 3,6 V ja laadimispingega 4,1 V. Erinevate tootjate puhul on mõlemal pingel 0,1 V erinevus. See on peamine erinevus.

Nanofosfaatrakkude nimipinge on 3,3 V ja mahasurutud laetud pinge 3,6 V. Normaalne võimsus 2,3 Ah on tavaliste liitium-ioonelementide pakutava 2,5 või 2,6 Ah võimsusega võrreldes üsna tavaline.

Silmapaistvam erinevus on kaalus. Nano-fosfaatrakk kaalub ainult 70 g, samas kui tema analoog, Sony või Panasonicu liitiumioonaku kaal on vastavalt 88 g ja 93 g.

Selle peamine põhjus on näidatud joonisel 1, kus täiustatud nanofosfaatraku kest on valmistatud alumiiniumist, mitte lehtterasest.

Lisaks on sellel veel üks eelis tavapäraste rakkude ees, kuna alumiinium aitab paremini rakust soojusjuhtivust parandada.

Veel üks uuenduslik disain on korpus, mis moodustab raku positiivse klemmi. See on ehitatud õhukese ferromagnetilise materjali kihiga, mis moodustab tegelikud kontaktid.

Laadimise / tühjendamise spetsifikatsioonid ja töö

Aku enneaegse kahjustamise vältimiseks soovitame rakendada maksimaalset lubatud laadimisvoolu / pinget, juhul kui teil on vaja andmelehelt spetsifikatsioonid kontrollida.

Meie väike katse näitas muudetud aku omadusi. Igal laadimis- / tühjendustsüklil registreerisime võimsuse languse umbes 1 mAh (0,005%) minimaalsest võimsusest.

Alguses üritasime oma LiFePO-d laadida₄raku temperatuuril 1 C (2,3 A) ja seadistage tühjendusväärtuseks 4 C (9,2A). Hämmastaval kombel kogu laadimisjärjestuse jooksul raku temperatuur ei tõusnud. Kuid tühjendamise ajal tõusis temperatuur 21 ° C-lt 31 ° C-ni.

10 ° C (23 A) tühjenemiskatse õnnestus raku temperatuuri registreeritud 49 ° C tõusuga. Kui elemendi pinge on vähenenud 4 V-ni (mõõdetuna koormuse all), andis aku keskmise elemendi tühjenemispinge (Um) 5,68 V või 2,84 V igas elemendis. Energiatiheduseks arvutati 94 Wh / kg.

Samal suuruste vahemikul on Sony 26650VT elemendi keskmine pinge 3,24 V 10 C tühjenemisel madalama energiatihedusega 89 Wh / kg.

See on madalam kui LiFePO₄raku tihedus. Erinevuse põhjuseks võib olla rakkude kaalu vähenemine. Kuid LiFePO₄rakkude jõudlus on oluliselt madalam kui LiPo rakkudel.

Viimast rakendatakse modelleerimisahelates sageli ja nende keskmine tühjenemispinge on temperatuuril 10 ° C vähemalt 3,5 V. Energiatiheduse osas on LiPo rakkudel ka ülemine osa vahemikus 120 Wh / kg kuni 170 Wh / kg. .

Järgmisel uuringul võtsime LiFePO-lt täieliku tasu₄rakud temperatuuril 1 ° C ja jahutasid need hiljem temperatuurini -8 ° C. Järgnev tühjendamine temperatuuril 10 ° C toimus toatemperatuuril, mis on umbes 23 ° C.

Rakkude pinna temperatuur oli pärast seda tõusnud 9 ° C-ni. Sellegipoolest pidi raku sisetemperatuur olema oluliselt madalam, kuigi selle otsene mõõtmine ei olnud võimalik.

Joonisel 2 on näha jahutatud rakkude klemmipinge (punane joon), mis on alguses eraldatud. Temperatuuri tõustes naasis see samale tasemele, kui katse viidi läbi rakkudega ümbritseval temperatuuril.

Üllataval kombel on lõpptemperatuuri erinevus madal (47 ° C ja 49 ° C). Seda seetõttu, et rakkude sisemine takistus sõltub temperatuurist. See tähendab, et kui rakud on külmad (madal temperatuur), hajutatakse sisemiselt oluliselt rohkem energiat.

Järgmine uuring oli seotud tühjendusvooluga, kus see suurenes 15 C-ni (34,5 A), rakkude osakaal oli suurem kui minimaalne, kuna temperatuur tõusis 23 ° C-st 53 ° C-ni.

LiFePO ülivoolu võimsuse testimine₄Rakud

Oleme näidanud teile lihtsat vooluahela konfiguratsiooni joonisel 3. Tipptaseme voolutugevuse mõõtmiseks kasutasime madala takistusega vooluahelat.

Takistuste kombinatsioon, sealhulgas 1 mΩ manööverdustakisti, 100 A vooluallika sisseehitatud takistus ja selle sidemed (kaabli takistused ja kontakttakistused MPX-pistikus).

Äärmiselt madal takistus takistas ühe laadimise tühjenemist üle 65 A.

Seetõttu proovisime suure voolu mõõtmisi delegeerida, kasutades kahte lahtrit järjestikku nagu varem. Tänu sellele saime multimeetri abil mõõta rakkude vahelist pinget.

Selle katse praegune valamu võib olla ülekoormatud, kuna raku nimivool on 120 A. Piirates meie hinnangu ulatust, jälgisime temperatuuri tõusu 15 C tühjendamisel.

See näitas, et ei ole kohane rakke korraga testida nende nominaalse pideva tühjenemise kiirusega 30 C (70 A).

On palju tõendeid selle kohta, et raku pinnatemperatuur 65 ° C tühjenemise ajal on ohutuse ülemine piir. Niisiis koostasime sellest tuleneva väljalaskeaja.

Esiteks tühjendatakse rakud temperatuuril 69 A (30 ° C) 16 sekundiks. Seejärel järgnesid vaheldumisi 11,5 A (5 C) taastumisintervallid pool minutit.

Pärast seda olid 10-sekundilised impulsid temperatuuril 69 A. Lõpuks, kui saavutati kas minimaalne tühjenduspinge või maksimaalne lubatud temperatuur, lõpetati tühjendamine. Joonisel 4 on kujutatud saadud tulemused.

Kõigi suurte koormuste intervallide jooksul langes klemmipinge kiiresti, mis näitab, et rakkude sees olevad liitiumioonid on piiratud ja aeglase liikumisega.

Sellegipoolest paraneb rakk väikese koormuse korral kiiresti. Ehkki pinge langeb raku tühjenemisel aeglaselt, võite raku temperatuuri tõustes leida suurema koormuse korral oluliselt vähem täpseid pingelangusi.

See kinnitab, kuidas temperatuur sõltub raku sisetakistusest.

Kui lahter on poolenisti tühi, registreerisime sisemise takistuse alalisvoolule umbes 11 mΩ (andmelehel on 10 mΩ).

Kui kamber oli täielikult tühjenenud, oli temperatuur tõusnud 63 ° C-ni, mis ohustab teda ohutusega. Selle põhjuseks on asjaolu, et rakkude jaoks pole täiendavat jahutust, seega peatusime pikemate suure koormusega impulssidega testimisest.

Aku andis selle katse väljundiks 2320 mAh, mis oli nimivõimsusest suurem.

Elementide pingete maksimaalse erinevuse korral 10 mV juures oli nende vastavus kogu katse vältel silmapaistev.

Tühjendus täiskoormusel peatati, kui klemmipinge saavutas 1 V raku kohta.

Minut hiljem nägime 2,4 V avatud vooluahela pinge taastumist üle iga elemendi.

Kiire laadimise test

Kiire laadimise testid viidi läbi temperatuuril 4 C (9,2 A) ilma elektroonilist tasakaalustajat kasutamata, kuid kontrollisime pidevalt üksikute rakkude pingeid.

Kasutamisel pliiakud , saame algse laadimisvoolu seada ainult laadija poolt tarnitud maksimaalse ja piiratud pinge tõttu.

Samuti saab laadimisvoolu seada alles siis, kui elemendi pinge oli tõusnud punkti, kus laadimisvool hakkab vähenema (püsivool / püsiv pinge laadimine).

Meie katses LiFePO-ga₄, see juhtub 10 minuti pärast, kui kestust vähendab šundi mõju meetris.

Me teame, et pärast 20 minuti möödumist laetakse raku nimimahust 97% või rohkem.

Lisaks on selles etapis laenguvool langenud väärtusele 0,5 A. Selle tulemusel saab rakkude täielikust olekust teada kiirlaadija .

Kogu kiire laadimisprotsessi jooksul liikusid raku pinged mõnikord veidi üksteisest, kuid mitte üle 20 mV.

Kuid kogu protsessi jaoks lõpetasid rakud laadimise samal ajal.

Kiire laadimise korral kipuvad elemendid üsna palju soojenema, kusjuures temperatuur jääb laadimisvoolust mõnevõrra alla.

Seda võib seostada rakkude sisemise takistuse kadumisega.

LiFePO laadimisel on oluline järgida ohutusnõudeid₄ja mitte üle soovitatud laadimispinge 3,6 V.

Püüdsime natuke mööda hiilida ja proovisime rakke 7,8 V (3,9 V raku kohta) klemmipingega üle laadida.

Seda pole üldse soovitatav kodus korrata.

Ehkki imelikku käitumist nagu suitsetamine või lekkimine ei olnud ja ka raku pinged olid peaaegu võrdsed, ei paistnud üldine tulemus olevat liiga kasulik.

• 3 C tühjendus andis täiendavalt 100 mAh ja keskmine tühjenemispinge oli suhteliselt suurem.
• See, mida me öelda tahame, on see, et ülelaadimine põhjustab väikese energiatiheduse tõusu 103,6 Wh / kg kuni 104,6 Wh / kg.
• Siiski ei ole seda väärt, et taluda riske ja rakkude elu võimaliku püsiva kahjustuse allutada.

Aku keemia ja hinnangud

FePO rakendamise kontseptsioon₄nanotehnoloogia koos liitiumpatareide keemiaga on tõsta elektroodide pinda, mille ulatuses reaktsioonid võivad toimuda.

Grafiitanoodi (negatiivse klemmi) tulevase innovatsiooni jaoks on ruumi hägune, kuid katoodi osas on tehtud märkimisväärseid edusamme.

Katoodi juures kasutatakse ioonide püüdmiseks siirdemetallide ühendeid (tavaliselt oksiide). Katoodides kasutatavad metallid nagu mangaan, koobalt ja nikkel on olnud masstootmises.

Pealegi on igal neist omad plussid ja miinused. Tootja valis raua, eriti raudfosfaadi (FePO4), milles nad avastasid katoodmaterjali, mis isegi madalamal pingel on piisavalt funktsionaalne, et taluda aku äärmist mahtu.

Peamiselt on liitium-ioonakud keemiliselt stabiilsed ainult väikeses pingevahemikus 2,3 V kuni 4,3 V. Selle vahemiku mõlemas otsas on kasutusea tagamiseks vaja teatud lepitust. Praktiliselt peetakse vastuvõetavaks ülempiiri 4,2 V, pikema eluea jaoks soovitatakse 4,1 V.

Tavalised liitiumpatareid, mis koosnevad mitu järjestikku ühendatud lahtrit elektrooniliste lisandmoodulite kaudu püsida pingepiirides tasakaalustajad , ekvalaiserid või täpsed pingepiirajad.

Nende ahelate keerukus suureneb, kui laenguvoolud suurenevad, mille tulemuseks on täiendavad võimsuskadud. Kasutajate jaoks pole need laadimisseadmed liiga eelistatavad, kuna eelistavad pigem rakke, mis taluvad sügavat tühjenemist.

Lisaks sooviksid kasutajad ka suurt temperatuurivahemikku ja kiirlaadimise võimalust. Kõik need panevad nanotehnoloogia FePO₄põhinev LiFePO₄elemendid saavad li-ioonakude uuendamise lemmikuteks.

Esialgsed järeldused

LiFePO nende kõrgelt voolavate tööstuslike rakenduste ankurdamise keerukate lamedate tühjenduspinge kõverate tõttu₄või FePO₄-katoodsed liitium-ioonrakud on väga soovitavad.

Neil on mitte ainult oluliselt suurem energiatihedus kui tavalistel liitium-ioonelementidel, vaid ka ülitugev võimsustihedus.

Väikese sisemise takistuse ja väikese kaalu kombinatsioon soodustab suure võimsusega rakendustes asendusrakke sõltuvalt niklist või pliid.

Tavaliselt ei suuda rakud taluda pidevat tühjenemist temperatuuril 30 ° C ilma ohtliku temperatuuri tõusuta. See on ebasoodne, sest te ei soovi, et 2,3 Ah rakk tühjeneks temperatuuril 70 A vaid kahe minutiga. Seda tüüpi rakendustes saab kasutaja laiemaid valikuid kui tavalised liitiumrakud.

Tagaküljel on pidev nõudlus kiirema laadimise järele, eriti kui laadimise kestust saab oluliselt vähendada. Tõenäoliselt on see üks põhjustest, miks LiFePO₄rakud on saadaval 36 V (10 seeria rakuga) professionaalsete haamriga.

Liitiumelemente saab kõige paremini kasutada hübriid- ja keskkonnasõbralikes autodes. Kasutades vaid nelja FePO-d₄rakud (13,2 V) akus annavad 70% väiksema kaalu kui pliiakud. Toote paremaks muutmine on toote elutsükkel ja võimsustiheduse kõrval oluliselt suurem energia hübriidsõiduk tehnoloogia suures osas heitmeteta sõidukites.