Технические характеристики и преимущества зарядки/разрядки литий-железо-фосфатных (LiFePO4) батарей
Swagatam
https://www.homemade-circuits.com
Хотя литий-ионные и литий-полимерные (LiPo) батареи обладают непревзойденной плотностью энергии, производство литийсодержащих батарей обходится дорого и требует бережного обращения, а также аккуратной зарядки.
Благодаря развитию нанотехнологий, процесс производства катодного электрода для этих батарей значительно улучшился.
Прорывные литий-железо- фосфатные (LiFePO4 ) элементы, созданные на основе нанотехнологий и обладающие высокой нагрузочной способностью, превосходят традиционные литий-ионные или литий-полимерные элементы.
Что такое литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)?
Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4) или LFP-аккумулятор (феррофосфат лития) — это разновидность литий-ионного аккумулятора , в котором LiFePO4 используется в качестве катодного материала (внутри аккумуляторов этот катод образует положительный электрод), а графитовый углеродный электрод с металлической подложкой образует анод.
Плотность энергии LiFePO4 ниже по сравнению с традиционным оксидом лития-кобальта (LiCoO2), а также характеризуется более низким рабочим напряжением.
Наиболее существенным недостатком LiFePO4 является его пониженная электропроводность. В результате все рассматриваемые катоды на основе LiFePO4 фактически представляют собой LiFePO4 / C.
Благодаря более низкой стоимости, минимальной токсичности, точно заданным характеристикам, высокой стабильности и т.д., LiFePO4 получил широкое распространение в различных областях применения, включая автомобильную промышленность, стационарные установки коммунального масштаба, а также инверторы и преобразователи.
Преимущества литий-железо-фосфатных (LiFePO4 ) батарей
Нанофосфатные элементы сочетают в себе преимущества традиционных литиевых элементов с достоинствами никельсодержащих соединений. При этом они лишены недостатков обеих систем.
Эти идеальные никель-кадмиевые батареи обладают рядом преимуществ, таких как:
- Безопасность – Они негорючие, поэтому нет необходимости в защитной цепи.
- Надежные – батареи обладают длительным сроком службы и стандартным способом зарядки.
- Высокая устойчивость к большим нагрузкам и быстрой зарядке.
- Они имеют постоянное напряжение разряда (плоскую кривую разряда).
- Высокое напряжение элемента и низкий саморазряд
- Превосходная мощность и компактная плотность энергии
Разница между литий-железо-фосфатными (LiFePO4 ) и литий-ионными батареями.
Обычные литий-ионные элементы питания имеют минимальное напряжение 3,6 В и напряжение заряда 4,1 В. У разных производителей разница между этими напряжениями составляет 0,1 В. Это основное различие.
Нанофосфатные элементы имеют номинальное напряжение 3,3 В и напряжение в режиме подавленного заряда 3,6 В. Нормальная емкость 2,3 Ач довольно распространена по сравнению с емкостью 2,5 или 2,6 Ач, предлагаемой стандартными литий-ионными элементами.
Наиболее существенное различие заключается в весе. Нанофосфатный элемент весит всего 70 г, в то время как его аналог, литий-ионный элемент Sony или Panasonic, весит 88 г и 93 г соответственно.
Основная причина этого показана на рисунке 1, где корпус усовершенствованной нанофосфатной ячейки изготовлен из алюминия, а не из листовой стали.
Кроме того, это дает еще одно преимущество перед обычными элементами, поскольку алюминий лучше способствует теплопроводности элемента.
Ещё одним инновационным конструктивным решением является корпус, образующий положительный полюс элемента питания. Он выполнен из тонкого слоя ферромагнитного материала, который формирует реальные контакты.
Технические характеристики зарядки/разрядки и принцип работы
Чтобы предотвратить преждевременное повреждение аккумулятора, мы рекомендуем использовать максимально допустимый зарядный ток/напряжение, если вам необходимо проверить технические характеристики по паспортным данным.
Наш небольшой эксперимент показал, что свойства батареи изменились. При каждом цикле зарядки/разрядки мы фиксировали падение емкости примерно на 1 мАч (0,005%) от минимальной емкости.
Сначала мы попытались зарядить наш литий-железо-фосфатный элемент до полной емкости 1 С (2,3 А), установив разрядную мощность на уровне 4 С (9,2 А). Удивительно, но на протяжении всего процесса зарядки температура элемента не повышалась. Однако во время разрядки температура поднялась с 21 °C до 31 °C.
Тест на разряд при токе 10 С (23 А) прошел успешно, зафиксировано повышение температуры ячейки на 49 °C. После снижения напряжения ячейки до 4 В (измеренного под нагрузкой) батарея обеспечила среднее напряжение разряда (Um) 5,68 В или 2,84 В на каждой ячейке. Плотность энергии была рассчитана как 94 Вт·ч/кг.
В том же диапазоне размеров элемент Sony 26650VT демонстрирует более высокое среднее напряжение 3,24 В при разряде 10 С и более низкую плотность энергии 89 Вт·ч/кг.
Это ниже плотности элементов LiFePO4 . Разница может быть объяснена уменьшенным весом элементов. Однако элементы LiFePO4 демонстрируют значительно более низкую производительность, чем элементы LiPo.
Последние часто применяются для моделирования схем и имеют среднее напряжение разряда 3,5 В или более при токе 10 С. По плотности энергии литий-полимерные элементы также имеют преимущество, достигая значений от 120 Вт·ч/кг до 170 Вт·ч/кг.
В ходе следующего исследования мы полностью зарядили элементы LiFePO4 при токе 1 С, а затем охладили их до -8 °C. Последующий разряд при токе 10 С происходил при комнатной температуре, которая составляет около 23 °C.
После этого температура поверхности клеток повысилась до 9 °C. Тем не менее, внутренняя температура клеток, должно быть, была значительно ниже, хотя её прямое измерение было невозможно.
На рисунке 2 видно, что напряжение на клеммах (красная линия) охлажденных элементов в начале резко упало. По мере повышения температуры оно вернулось к тому же уровню, как если бы испытание проводилось с элементами при комнатной температуре.
Рис. 2. График показывает влияние температуры на элементы. По мере повышения температуры
от низкой к высокой напряжение охлажденных элементов также возрастает.Удивительно, но разница в конечной температуре невелика (47°C против 49°C). Это объясняется тем, что внутреннее сопротивление элементов зависит от температуры. Это означает, что при низкой температуре (холодных элементах) внутри рассеивается значительно больше энергии.
Следующее исследование касалось разрядного тока, который увеличился до 15 °C (34,5 А). При этом элементы показали более высокую емкость, чем минимально допустимая, поскольку температура повысилась с 23 °C до 53 °C.
Испытание экстремальной токовой емкости элементов LiFePO4.
На рисунке 3 показана простая схема. Для измерения пиковых значений тока мы использовали схему с низким сопротивлением.
Рис. 3. Все записи были получены с использованием двух элементов питания,
соединенных последовательно. Результаты фиксировались регистратором данных.
Напряжения отдельных элементов питания отображаются на показаниях двух мультиметров.Совокупность сопротивлений, включая шунтирующий резистор 1 мОм, встроенное сопротивление источника тока 100 А и связанные с ним (сопротивления кабеля и контактные сопротивления в разъеме MPX).
Чрезвычайно низкое сопротивление не позволяло разряду одного заряда превышать 65 А.
Поэтому мы попытались разделить измерения высоких токов, используя, как и прежде, две ячейки, соединенные последовательно. Благодаря этому мы смогли измерить напряжение между ячейками с помощью мультиметра.
В этом эксперименте ток, возможно, был перегружен из-за номинального тока элемента в 120 А. Ограничивая область исследования, мы отслеживали повышение температуры при разряде при 15 °C.
Это показало, что тестирование всех элементов одновременно при номинальной скорости непрерывного разряда 30 С (70 А) нецелесообразно.
Имеются веские доказательства того, что температура поверхности ячейки в 65 °C во время разряда является верхним пределом безопасности. Поэтому мы разработали соответствующий график разряда.
Сначала при токе 69 А (30 С) элементы разряжались в течение 16 секунд. Затем следовали чередующиеся интервалы «восстановления» при токе 11,5 А (5 С) в течение половины минуты.
После этого следовали 10-секундные импульсы с током 69 А. Наконец, когда было достигнуто либо минимальное напряжение разряда, либо максимально допустимая температура, разрядная операция завершалась. На рисунке 4 показаны полученные результаты.
Рис. 4. Использование переменного тока с температурой от 30°C до 5°C
позволяет достичь высокоскоростного разряда.В течение периодов высокой нагрузки напряжение на клеммах быстро падало, что свидетельствует об ограниченном и замедленном движении ионов лития внутри элементов.
Тем не менее, характеристики элемента быстро улучшаются в периоды низкой нагрузки. Хотя напряжение медленно падает по мере разряда элемента, при более высоких нагрузках, по мере повышения температуры элемента, точность измерения падения напряжения может значительно снизиться.
Это подтверждает зависимость температуры от внутреннего сопротивления элемента.
Мы зафиксировали внутреннее сопротивление постоянному току на уровне примерно 11 мОм (в технической документации указано 10 мОм), когда элемент разряжен наполовину.
Когда элемент полностью разрядился, температура поднялась до 63 °C, что создает угрозу безопасности. Это связано с отсутствием дополнительного охлаждения элементов, поэтому мы прекратили тестирование с более длительными импульсами высокой нагрузки.
В ходе этого теста батарея показала выходную мощность 2320 мАч, что превышает номинальную емкость.
При максимальной разнице напряжений между элементами в 10 мВ, согласование между ними было превосходным на протяжении всего теста.
Разряд при полной нагрузке прекращался, когда напряжение на клеммах достигало 1 В на ячейку.
Через минуту мы зафиксировали восстановление напряжения холостого хода на уровне 2,74 В на каждой из ячеек.
Тест быстрой зарядки
Тесты быстрой зарядки проводились при токе 4 С (9,2 А) без использования электронного балансира, но при этом мы постоянно проверяли напряжение отдельных элементов.
Тест быстрой зарядки за 20 минут с пусковым током 9,2 А.При использовании свинцово-кислотных аккумуляторов мы можем установить только начальный зарядный ток из-за максимального и ограниченного напряжения, подаваемого зарядным устройством.
Кроме того, зарядный ток можно установить только после того, как напряжение элемента поднимется до уровня, при котором зарядный ток начнет уменьшаться (зарядка постоянным током/постоянным напряжением).
В нашем эксперименте с LiFePO? это происходит через 10 минут, причем продолжительность сокращается из-за эффекта шунта в измерительном приборе.
Мы знаем, что через 20 минут батарея заряжается до 97% или более от своей номинальной емкости.
Кроме того, зарядный ток на этом этапе упал до 0,5 А. В результате быстрое зарядное устройство сообщит о «полной» зарядке элементов .
В процессе быстрой зарядки напряжение элементов иногда немного отличалось друг от друга, но не более чем на 20 мВ.
Но в целом, процесс зарядки элементов завершился одновременно.
При быстрой зарядке элементы питания, как правило, значительно нагреваются, при этом температура несколько отстает от зарядного тока.
Это можно объяснить потерями внутреннего сопротивления клеток.
Крайне важно соблюдать меры предосторожности при зарядке литий-железо-фосфатных аккумуляторов и не превышать рекомендуемое напряжение зарядки в 3,6 В.
Мы попытались немного проскользнуть мимо и попытались «перезарядить» элементы, придав им напряжение на клеммах 7,8 В (3,9 В на элемент).
! Повторять это дома категорически не рекомендуется.
Хотя никаких странных явлений, таких как дымление или утечки, не наблюдалось, и напряжение элементов было практически одинаковым, общий результат, по-видимому, не оказался слишком благоприятным.
- Разряд при токе 3C обеспечил дополнительные 100 мАч, а среднее напряжение разряда было относительно выше.
- Мы хотим сказать, что перезарядка вызывает небольшое увеличение плотности энергии со 103,6 Вт·ч/кг до 104,6 Вт·ч/кг.
- Однако не стоит подвергать клетки риску и, возможно, наносить им необратимый вред.
Химия и оценка батарей
Концепция применения нанотехнологий FePO4 в сочетании с химией литий-ионных батарей заключается в увеличении площади поверхности электродов, на которой могут происходить реакции.
Перспективы для будущих инноваций в области графитового анода (отрицательного полюса) выглядят туманными, но что касается катода, то здесь достигнут существенный прогресс.
На катоде для захвата ионов используются соединения (обычно оксиды) переходных металлов. Металлы, такие как марганец, кобальт и никель, используемые в качестве катодов, производятся в больших количествах.
Более того, у каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Производитель выбрал железо, в частности фосфат железа (FePO4), в котором они обнаружили катодный материал, достаточно функциональный даже при низких напряжениях, чтобы выдерживать экстремальную емкость батареи.
В первую очередь, литий-ионные батареи химически стабильны только в узком диапазоне напряжений: от 2,3 В до 4,3 В. На обоих концах этого диапазона необходимы определенные компромиссы для увеличения срока службы. На практике верхний предел в 4,2 В считается приемлемым, а для увеличения срока службы рекомендуется 4,1 В.
Традиционные литиевые батареи, состоящие из нескольких элементов, соединенных последовательно, поддерживают напряжение в пределах допустимых значений благодаря электронным устройствам, таким как балансировщики, выравниватели или прецизионные ограничители напряжения.
С увеличением зарядного тока сложность этих схем возрастает, что приводит к дополнительным потерям мощности. Для пользователей такие зарядные устройства не слишком предпочтительны, поскольку они предпочитают элементы питания, способные выдерживать глубокий разряд.
Кроме того, пользователи хотели бы иметь широкий температурный диапазон и возможность быстрой зарядки. Все это делает литий- ионные элементы на основе нанотехнологий FePO4 фаворитами в инновационной разработке литий-ионных батарей.
Предварительные выводы
Благодаря идеально ровным кривым разрядного напряжения, обеспечивающим работу в сильноточных промышленных приложениях, литий-ионные элементы на основе LiFePO4 или FePO4-катода являются весьма востребованными .
Они не только обладают значительно большей плотностью энергии, чем обычные литий-ионные элементы, но и чрезвычайно высокой удельной мощностью.
Сочетание низкого внутреннего сопротивления и малого веса является хорошим преимуществом для замены элементов питания, содержащих никель или свинец, в мощных силовых приложениях.
Как правило, элементы питания не выдерживают непрерывного разряда при 30 °C без опасного повышения температуры. Это недостаток, поскольку вряд ли захочется, чтобы элемент емкостью 2,3 Ач разряжался током 70 А всего за две минуты. В таких областях применения пользователь получает более широкий выбор, чем при использовании традиционных литиевых элементов.
С другой стороны, постоянно существует потребность в более быстрой зарядке, особенно если время зарядки можно значительно сократить. Вероятно, это одна из причин, почему литий-железо- фосфатные (LiFePO4 ) элементы используются в профессиональных ударных дрелях на 36 В (10 последовательно соединенных элементов).
Литиевые элементы лучше всего подходят для гибридных и экологически чистых автомобилей. Использование всего четырех элементов FePO4 ( 13,2 В) в аккумуляторном блоке позволяет снизить вес на 70% по сравнению со свинцово-кислотной батареей. Улучшенный срок службы и значительно более высокая удельная мощность, помимо энергии, способствовали развитию технологии гибридных автомобилей, в основном, в сегменте транспортных средств с нулевым уровнем выбросов.
[ На главную ] [ Электропитание ]
