LiFePO4-akun lataus- / purkutiedot, selitetyt edut

Li-Ion- ja litiumpolymeerielektrolyyttiparistoilla (LiPo) on vertaansa vailla oleva energiatiheys, mutta litiumpohjaisten paristojen valmistus on kallista ja tarvitsee huolellista käsittelyä sekä varovaisen latauksen.

Nanoteknologian kehittyessä näiden akkujen katodielektrodin valmistusprosessi on parantunut merkittävästi.

Murtuminen nanoteknologiaan perustuvan korkean kuormituksen LiFePO: n kautta₄solut ovat edistyneempiä kuin perinteiset Li-ion- tai Lipo-solut.

Opitaan lisää:

Mikä on LiFePO₄Akku

Litium-rautafosfaattiakku (LiFePO₄akku) tai LFP-akku (litiumferrofosfaatti), on eräänlainen litiumioniakku joka käyttää LiFePO: ta₄katodimateriaalina (paristojen sisällä tämä katodi muodostaa positiivisen elektrodin) ja grafiittihiilielektrodilla, jolla on metallinen tuki anodin muodostamiseksi.

LiFePO: n energiatiheys₄on pienempi verrattuna tavanomaiseen litiumkobolttioksidi (LiCoO 2) kemiaan, ja sillä on pienempi käyttöjännite.

LiFePO: n tärkein haittapuoli₄on sen alentunut sähkönjohtavuus. Tämän seurauksena jokainen LiFePO₄katodit ovat todellisuudessa LiFePO₄/ C.

Halvempien kustannusten, minimaalisen myrkyllisyyden, tarkasti määritellyn suorituskyvyn, suuren stabiilisuuden jne. Vuoksi LiFePO₄on tullut suosittu ajoneuvopohjaisissa sovelluksissa, hyödyllisessä mittakaavassa kiinteissä sovelluksissa sekä invertteri-, muunninsovelluksissa.

LiFePO: n edut₄Akku

Nanofosfaattisolut ottavat perinteisten litiumsolujen edut ja yhdistävät ne nikkelipohjaisten yhdisteiden etuihin. Kaikki nämä tapahtuvat kokematta kummankin osapuolen haittoja.

Nämä ovat ihanteellisia NiCd-paristot on useita etuja, kuten:

• Turvallisuus - Ne eivät ole syttyviä, joten suojapiiriä ei tarvita.
• Vankka - Akkujen käyttöikä on korkea ja tavallinen lataustapa.
• Suuri toleranssi raskaille kuormille ja nopea lataus.
• Niillä on vakio purkausjännite (tasainen purkukäyrä).
• Korkea kennojännite ja pieni itsepurkautuminen
• Erinomainen teho ja kompakti energiatiheys

Ero LiFePO: n välillä₄ja litiumioniakku

Perinteinen Li-ionikennot on varustettu vähintään 3,6 V: n ja 4,1 V: n latausjännitteellä. Molemmissa jännitteissä on 0,1 V: n ero eri valmistajien kanssa. Tämä on tärkein ero.

Nanofosfaattikennojen nimellisjännite on 3,3 V ja vaimennettu varautunut jännite 3,6 V. Normaali 2,3 Ah: n kapasiteetti on melko yleinen, kun se erotetaan tavallisten litiumionikennojen tarjoamaan 2,5 tai 2,6 Ah: n kapasiteettiin.

Merkittävämpi ero on painossa. Nanofosfaattikenno painaa vain 70 g, kun taas sen vastaavan Sonyn tai Panasonic Li-Ion -solun paino on 88 g ja 93 g.

Tärkein syy tähän on esitetty kuviossa 1, jossa edistyneen nanofosfaattikennon kotelo on valmistettu alumiinista eikä teräslevystä.

Lisäksi tällä on toinen etu tavanomaisiin kennoihin verrattuna, koska alumiini parantaa paremmin lämmönjohtavuutta kennosta.

Yksi innovatiivinen muotoilu on kotelo, joka muodostaa solun positiivisen pään. Se on rakennettu ohuella kerroksella ferromagneettista materiaalia, joka muodostaa todelliset kontaktit.

Lataus- / purkutiedot ja työskentely

Akun ennenaikaisten vaurioiden estämiseksi suosittelemme suurimman sallitun latausvirran / -jännitteen käyttämistä, jos sinun on tarkistettava tekniset tiedot datalehdestä.

Pieni kokeilumme paljasti vaihdetun akun ominaisuudet. Jokaisella lataus- / purkausjaksolla tallennimme kapasiteetin laskun noin 1 mAh (0,005%) minimikapasiteetista.

Aluksi yritimme veloittaa LiFePO: ta₄solu täydellä 1 C: lla (2,3 A) ja aseta purkautumisarvoksi 4 C (9,2 A). Hämmästyttävää kyllä, koko lataussekvenssin aikana solujen lämpötila ei noussut. Tyhjennyksen aikana lämpötila kuitenkin nousi 21 ° C: sta 31 ° C: seen.

10 ° C: n (23 A) purkaustesti sujui hyvin, kun solun lämpötilan nousu oli 49 ° C. Kun kennon jännite on laskenut 4 V: iin (mitattuna kuormitettuna), akku antoi keskimääräisen purkausjännitteen (Um) 5,68 V tai 2,84 V kennoon. Energiatiheydeksi laskettiin 94 Wh / kg.

Samalla kokoalueella Sonyn 26650VT-kennon keskimääräinen jännite on 3,24 V 10 C: n purkauksessa ja pienempi energiatiheys 89 Wh / kg.

Tämä on pienempi kuin LiFePO₄solun tiheys. Ero johtuu solujen vähenemisestä. Mutta, LiFePO₄soluilla on huomattavasti heikompi suorituskyky kuin LiPo-soluilla.

Viimeksi mainittua käytetään usein mallinnuspiireissä, ja niiden keskimääräinen purkausjännite on vähintään 3,5 V 10 ° C: ssa. Energiatiheyden kannalta LiPo-kennoilla on myös ylivoima alueiden välillä 120 Wh / kg ja 170 Wh / kg. .

Seuraavassa tutkimuksessamme veloitimme LiFePO: n kokonaan₄soluja 1 ° C: ssa ja jäähdytti ne myöhemmin -8 ° C: seen. Seuraava purkautuminen 10 ° C: ssa tapahtui huoneen lämpötilassa, joka on noin 23 ° C.

Solujen pintalämpötila oli noussut 9 ° C: seen sen jälkeen. Silti solun sisäisen lämpötilan on täytynyt olla huomattavasti matalampi, vaikka sen suora mittaus ei ollut mahdollista.

Kuvassa 2 näkyy jäähdytettyjen kennojen päätejännite (punainen viiva) alussa hajaantuneena. Lämpötilan noustessa se palasi samalle tasolle kuin jos testi suoritettaisiin solujen kanssa ympäristön lämpötilassa.

Yllättäen loppulämpötilan ero on pieni (47 ° C vastaan ​​49 ° C). Tämä johtuu siitä, että solujen sisäinen vastus riippuu lämpötilasta. Tämä tarkoittaa, että kun kennot ovat kylmiä (matala lämpötila), huomattavasti enemmän tehoa häviää sisäisesti.

Seuraava tutkimus liittyi purkausvirtaan, jossa se nousi 15 ° C: seen (34,5 A), kennojen minimikapasiteetti ylitti lämpötilan noustessa 53 ° C: seen 23 ° C: sta.

LiFePO: n äärimmäisen nykyisen kapasiteetin testaaminen₄Solut

Olemme osoittaneet sinulle yksinkertaisen piirikokoonpanon kuvassa 3. Käytimme matalan vastuksen piiriä huippuvirtatasojen mittaamiseen.

Yhdistelmä vastuksia, mukaan lukien 1 mΩ: n shuntivastus, 100 A: n virran nielun sisäänrakennettu vastus ja sen liitännät (kaapelivastukset ja kosketusresistanssit MPX-liittimessä).

Äärimmäisen pieni vastus esti yhden latauksen purkautumisen yli 65 A.

Siksi yritimme delegoida suuren virran mittaukset käyttämällä kahta solua sarjassa kuten aiemmin. Tästä johtuen voisimme mitata kennojen välisen jännitteen yleismittarilla.

Tämän kokeen nykyinen pesuallas on saattanut olla ylikuormitettu, koska kennon nimellisvirta on 120 A. Rajoittamalla arviointimme laajuutta seurasimme lämpötilan nousua 15 C: n purkauksessa.

Tämä osoitti, että ei ole sopivaa testata soluja kerralla niiden nimellisellä jatkuvalla purkausnopeudella 30 C (70 A).

On olemassa huomattavaa näyttöä siitä, että solun pintalämpötila 65 ° C purkautumisen aikana on turvallisuuden yläraja. Joten rakennimme tuloksena olevan purkuaikataulun.

Ensinnäkin solut poistetaan lämpötilassa 69 A (30 ° C) 16 sekunnin ajan. Sitten sitä seurasi vuorottelevat 11,5 A: n (5 ° C) 'palautumisvälit' puolen minuutin ajan.

Sen jälkeen oli 10 sekunnin pulsseja 69 A: n lämpötilassa. Lopuksi, kun joko pienin purkausjännite tai suurin sallittu lämpötila saavutettiin, purkaus lopetettiin. Kuvio 4 kuvaa saadut tulokset.

Suurten kuormitusvälien aikana päätelaitteen jännite laski nopeasti, mikä tarkoittaa, että solujen sisällä olevat litiumionit ovat liikkuneet rajoitetusti ja hitaasti.

Silti solu paranee nopeasti pienen kuormituksen aikana. Vaikka jännite laskee hitaasti kennon purkautuessa, suurempien kuormitusten seurauksena jännitteen pudotukset saattavat olla huomattavasti vähemmän tarkkoja kennon lämpötilan noustessa.

Tämä vahvistaa, kuinka lämpötila riippuu solun sisäisestä resistanssista.

Tallensimme sisäisen vastuksen DC: lle olevan noin 11 mΩ (datalehdessä 10 mΩ), kun kenno on puoliksi purkautunut.

Kun kenno oli täysin tyhjentynyt, lämpötila oli noussut 63 ° C: seen, mikä altistaa sen turvallisuusriskeille. Tämä johtuu siitä, että soluille ei ole lisäjäähdytystä, joten lopetimme testauksen jatkamisen pidemmillä korkean kuormituksen pulsseilla.

Akun teho oli tässä testissä 2320 mAh, mikä oli nimelliskapasiteettia suurempi.

Suurimmalla erolla kennojännitteiden ollessa 10 mV, niiden välinen sovitus oli erinomainen koko testin ajan.

Täyden kuormituksen purkaus pysähtyi, kun päätelaitteen jännite saavutti 1 V kennoa kohti.

Minuuttia myöhemmin näimme 2,74 V: n avoimen piirin jännitteen palautumisen jokaisen kennon yli.

Nopean latauksen testi

Pikalataustestit tehtiin 4 C: ssa (9,2 A) ilman elektronista tasapainotinta, mutta tarkasimme jatkuvasti yksittäisten kennojen jännitteitä.

Käytettäessä lyijyakut , voimme asettaa vain alkuperäisen latausvirran laturin lähettämän maksimijännitteen ja rajoitetun jännitteen vuoksi.

Latausvirta voidaan asettaa vasta sen jälkeen, kun kennojännite on noussut pisteeseen, jossa latausvirta alkaa pienentyä (vakiovirta / vakiojännitelataus).

Kokeessamme LiFePO: n kanssa₄, tämä tapahtuu 10 minuutin kuluttua, jolloin kestoa lyhennetään mittarin shuntin vaikutuksesta.

Tiedämme, että kenno ladataan 97 prosenttiin tai enemmän sen nimelliskapasiteetista 20 minuutin kuluttua.

Lisäksi latausvirta on tässä vaiheessa pudonnut 0,5 A: seen. Tämän seurauksena solu ilmoittaa kennojen pikalaturi .

Koko pikalatausprosessin aikana kennojännitteet liikkuivat joskus hieman toisistaan, mutta eivät yli 20 mV.

Mutta prosessin kokonaisuudessaan solut päättivät latautumisen samaan aikaan.

Kun kokemus on nopea lataus, kennot yleensä lämpenevät melko vähän, lämpötilan ollessa jonkin verran jäljessä latausvirrasta.

Tämä johtuu solujen sisäisen vastuksen häviöistä.

LiFePO: n lataamisen aikana on ehdottomasti noudatettava turvaohjeita₄eikä sen suositellun latausjännitteen 3,6 V.

Yritimme hiipiä vähän ohi ja yritimme 'ylikuormittaa' kennoja 7,8 V: n (3,9 V / solu) päätejännitteellä.

Ei ole lainkaan suositeltavaa toistaa tätä kotona.

Vaikka ei ollut outoa käyttäytymistä, kuten tupakointia tai vuotamista, ja kennojännitteet olivat myös lähes samat, mutta kokonaistulos ei näyttänyt olevan liian hyödyllistä.

• 3 C: n purkaus antoi 100 mAh lisää ja keskimääräinen purkausjännite oli suhteellisen korkea.
• Tarkoitamme sanoa, että ylikuormitus aiheuttaa pienen energian tiheyden nousun 103,6 Wh / kg - 104,6 Wh / kg.
• Ei ole kuitenkaan sen arvoista sietää riskejä ja mahdollisesti altistaa solujen elämä pysyville vaurioille.

Akkukemia ja arvioinnit

FePO: n soveltamisen käsite₄nanoteknologia yhdessä litiumparistokemian kanssa on nostaa elektrodien pinta-alaa, jonka yli reaktiot voivat tapahtua.

Grafiittianodin (negatiivinen pääte) tulevaisuuden innovaatiotila näyttää samealta, mutta katodin osalta edistyminen on huomattavaa.

Katodissa siirtymämetallien yhdisteitä (tyypillisesti oksideja) käytetään ionin talteenottoon. Katodien käyttämät metallit, kuten mangaani, koboltti ja nikkeli, ovat olleet massatuotannossa.

Jokaisella on lisäksi omat hyvät ja huonot puolensa. Valmistaja valitsi raudan, erityisesti rautafosfaatin (FePO4), jossa he löysivät katodimateriaalin, joka jopa pienemmillä jännitteillä on riittävän toimiva kestämään äärimmäistä akkukapasiteettia.

Ensisijaisesti litiumioniakut ovat kemiallisesti stabiileja vain pienellä jännitealueella 2,3 V - 4,3 V. Tämän alueen molemmissa päissä tarvitaan tiettyjä sovituksia käyttöiän kannalta. Käytännössä 4,2 V: n ylärajaa pidetään hyväksyttävänä, kun taas 4,1 V: n suositellaan pidemmän käyttöiän saavuttamiseksi.

Tavanomaiset litiumparistot, jotka on valmistettu useita sarjaan kytkettyjä soluja pysyä jänniterajoissa elektronisten lisäosien, kuten tasapainottimet , taajuuskorjaimet tai tarkat jännitteenrajoittimet.

Näiden piirien monimutkaisuus lisääntyy, kun varausvirrat kasvavat, mikä johtaa ylimääräisiin tehohäviöihin. Käyttäjille nämä latauslaitteet eivät ole liian suositeltavia, koska ne mieluummin pitävät parempana soluista, jotka kestävät syvän purkauksen.

Lisäksi käyttäjät haluavat myös laajan lämpötila-alueen ja mahdollisuuden pikalataukseen. Kaikki nämä laittaa nanoteknologian FePO₄perustuva LiFePO₄soluista tulee suosittuja litiumioniakkujen innovaatioissa.

Alustavat päätelmät

LiFePO on erittäin tasaisten purkausjännitekäyrien ansiosta, jotka ankkuroivat suuritehoisten teollisuussovellusten toteutuksen.₄tai FePO₄-katodiset Li-Ion-solut ovat erittäin toivottavia.

Sen lisäksi, että niillä on huomattavasti enemmän energiatiheyttä kuin tavanomaisilla Li-Ion-kennoilla, mutta myös erittäin suuren tehon tiheys.

Pienen sisäisen vastuksen ja pienen painon yhdistelmä on hyvä korvauskennoille nikkelistä tai lyijystä riippuen suuritehoisissa sovelluksissa.

Tyypillisesti solut eivät kestä jatkuvaa purkautumista 30 ° C: ssa ilman vaarallista lämpötilan nousua. Tämä on epäedullista, koska et halua, että 2,3 Ah: n kenno purkautuu 70 A: n jännitteellä vain kahdessa minuutissa. Tämän tyyppisissä sovelluksissa käyttäjä saa laajemmat vaihtoehdot kuin perinteiset litium-solut.

Kääntöpuolella on jatkuvaa kysyntää nopeammalle lataukselle, varsinkin jos latauksen kestoa voidaan vähentää huomattavasti. Todennäköisesti tämä on yksi syy siihen, miksi LiFePO₄soluja on saatavana 36 V: n (10-sarjan kennot) ammattimaisissa poravasarissa.

Litiumkennoja voidaan parhaiten käyttää hybridi- ja ympäristöystävällisissä autoissa. Käyttämällä vain neljää FePO: ta₄akut (13,2 V) akussa tuottavat 70% vähemmän painoa kuin lyijyakku. Parempi tuotteen elinkaari ja huomattavasti suurempi energia tehotiheyksien lisäksi ovat tukeneet tuotteen kehitystä hybridiajoneuvo tekniikkaa suurelta osin päästöttömissä ajoneuvoissa.