Specifiche di carica / scarica della batteria LiFePO4, spiegazione dei vantaggi

Mentre le batterie agli ioni di litio e agli elettroliti ai polimeri di litio (LiPo) possiedono una densità di energia senza pari, le batterie al litio sono costose da produrre e richiedono una gestione meticolosa insieme a una ricarica cauta.

Con il progresso della nanotecnologia, il processo di produzione dell'elettrodo catodico per queste batterie ha visto un sostanziale miglioramento.

La svolta nel LiFePO ad alto carico basato sulla nanotecnologia₄le celle sono più avanzate rispetto alle tradizionali celle Li-ion o Lipo.

Impariamo di più:

Cos'è LiFePO₄Batteria

La batteria al litio ferro fosfato (LiFePO₄batteria) o batteria LFP (ferrofosfato di litio), è una forma di batteria agli ioni di litio che impiega LiFePO₄come materiale catodico (all'interno delle batterie questo catodo costituisce l'elettrodo positivo), e un elettrodo di grafite e carbonio avente un supporto metallico che forma l'anodo.

La densità energetica di LiFePO₄è più piccolo rispetto alla chimica convenzionale dell'ossido di litio cobalto (LiCoO 2) e presenta una tensione di lavoro inferiore.

Lo svantaggio più cruciale di LiFePO₄è la sua ridotta conducibilità elettrica. Di conseguenza, ognuno dei LiFePO₄i catodi considerati sono in realtà LiFePO₄/ C.

Grazie a costi più bassi, tossicità minima, prestazioni specificate con precisione, ampia stabilità, ecc. LiFePO₄è diventato popolare in numerose applicazioni basate su veicoli, applicazioni fisse su scala industriale e anche in applicazioni di inverter e convertitori.

Vantaggi di LiFePO₄Batteria

Le nanocellule al fosfato prendono i vantaggi delle tradizionali celle al litio e li uniscono ai vantaggi dei composti a base di nichel. Tutto ciò accade senza sperimentare gli svantaggi di entrambe le parti.

Questi ideali Batterie NiCd hanno diversi vantaggi come:

• Sicurezza: non sono infiammabili, quindi non è necessario un circuito di protezione.
• Robusto: le batterie hanno un ciclo di vita elevato e un metodo di ricarica standard.
• Elevata tolleranza a carichi pesanti e ricarica rapida.
• Hanno una tensione di scarica costante (una curva di scarica piatta).
• Alta tensione di cella e bassa autoscarica
• Potenza superiore e densità di energia compatta

Differenza tra LiFePO₄e batteria agli ioni di litio

Convenzionale Celle agli ioni di litio sono dotati di una tensione minima di 3,6 V e di una tensione di carica di 4,1 V. C'è una differenza di 0,1 V a entrambe queste tensioni con vari produttori. Questa è la differenza principale.

Le nano celle fosfato hanno una tensione nominale di 3,3 V e una tensione di carica soppressa di 3,6 V. La capacità normale di 2,3 Ah è abbastanza comune se confrontata con la capacità di 2,5 o 2,6 Ah offerta dalle celle agli ioni di litio standard.

La differenza più evidente è nel peso. La cella al nano fosfato pesa solo 70 g mentre la sua controparte, la cella agli ioni di litio Sony o Panasonic, ha un peso rispettivamente di 88 ge 93 g.

La ragione principale di ciò è mostrata nella Figura 1, dove l'involucro della cella di nano fosfato avanzato è realizzato in alluminio e non in lamiera d'acciaio.

Inoltre, questo ha un altro vantaggio rispetto alle celle convenzionali poiché l'alluminio è migliore nel migliorare la conduzione del calore dalla cella.

Un altro design innovativo è l'involucro che costituisce il terminale positivo della cella. È costruito con un sottile strato di materiale ferromagnetico che forma i veri contatti.

Specifiche di carica / scarica e funzionamento

Per evitare danni prematuri alla batteria, si consiglia di applicare la massima corrente / tensione di carica consentita, nel caso in cui sia necessario verificare le specifiche dalla scheda tecnica.

Il nostro piccolo esperimento ha rivelato che le proprietà della batteria sono cambiate. Ad ogni ciclo di carica / scarica, abbiamo registrato un calo di capacità intorno a 1 mAh (0,005%) della capacità minima.

All'inizio, abbiamo tentato di caricare il nostro LiFePO₄cella alla massima temperatura di 1 C (2,3 A) e impostare il valore di scarica a 4 C (9,2 A). Sorprendentemente, durante la sequenza di carica, non c'è stato alcun aumento della temperatura della cella. Tuttavia, durante lo scarico, la temperatura è aumentata da 21 ° C a 31 ° C.

Il test di scarica per 10 C (23 A) è andato bene con un aumento della temperatura della cella registrato di 49 ° C. Una volta che la tensione della cella si è ridotta a 4 V (misurata sotto carico), la batteria ha fornito una tensione di scarica media (Um) di 5,68 V o 2,84 V su ciascuna cella. La densità di energia è stata calcolata in 94 Wh / kg.

A parità di dimensioni, la cella Sony 26650VT presenta una tensione media maggiore di 3,24 V a 10 C di scarica con una densità di energia inferiore di 89 Wh / kg.

Questo è inferiore al LiFePO₄densità delle cellule. La differenza può essere attribuita alla diminuzione del peso cellulare. Ma il LiFePO₄le celle hanno prestazioni significativamente inferiori rispetto alle celle LiPo.

Quest'ultimo è frequentemente applicato ai circuiti di modellazione e hanno una tensione di scarica media di 3,5 V o più a 10 C.In termini di densità di energia, le celle LiPo hanno anche il sopravvento con intervalli tra 120 Wh / kg e 170 Wh / kg .

Nel nostro prossimo esame, abbiamo caricato completamente il LiFePO₄celle a 1 C e successivamente raffreddate a -8 ° C. La successiva scarica a 10 ° C è avvenuta a temperatura ambiente intorno ai 23 ° C.

Successivamente la temperatura superficiale delle celle è aumentata a 9 ° C. Tuttavia, la temperatura interna della cella doveva essere significativamente più bassa sebbene la sua misurazione diretta non fosse possibile.

Nella Figura 2, puoi vedere la tensione del terminale (linea rossa) delle celle raffreddate immerse all'inizio. All'aumentare della temperatura, è tornata allo stesso livello come se il test fosse stato condotto con le celle a temperatura ambiente.

Sorprendentemente, la differenza nella temperatura finale è bassa (47 ° C contro 49 ° C). Questo perché la resistenza interna delle celle dipende dalla temperatura. Ciò significa che quando le celle sono fredde (bassa temperatura), viene dissipata internamente molta più potenza.

L'esame successivo è stato relativo alla corrente di scarica dove è aumentata a 15 C (34,5 A), le celle presentavano una capacità superiore alla loro minima quando la temperatura saliva a 53 ° C da 23 ° C.

Test della capacità di corrente estrema di LiFePO₄Cellule

Abbiamo mostrato una semplice configurazione del circuito nella Figura 3. Abbiamo usato un circuito a bassa resistenza per misurare i livelli di corrente di picco.

La combinazione di resistenze inclusa la resistenza shunt da 1 mΩ, la resistenza incorporata del dissipatore di corrente da 100 A e i suoi associati (resistenze del cavo e resistenze di contatto nel connettore MPX).

La resistenza estremamente bassa ha impedito che la scarica di una singola carica superasse i 65 A.

Pertanto, abbiamo tentato di delegare le misurazioni ad alta corrente utilizzando due celle in serie come prima. A causa di ciò, potremmo misurare la tensione tra le celle usando un multimetro.

Il dissipatore di corrente in questo esperimento potrebbe essere stato sovraccaricato a causa della corrente nominale della cella di 120 A. Limitando la portata della nostra valutazione, abbiamo monitorato gli aumenti di temperatura a una scarica di 15 ° C.

Ciò ha dimostrato che non è opportuno testare le celle tutte in una volta alla velocità di scarica continua nominale di 30 C (70 A).

Esistono prove sostanziali che una temperatura della superficie della cella di 65 ° C durante la scarica è il limite massimo per la sicurezza. Quindi, abbiamo costruito il programma di dimissione risultante.

In primo luogo, a 69 A (30 C) le celle vengono scaricate per 16 secondi. Quindi, è stato seguito dall'alternanza di intervalli di 'recupero' di 11,5 A (5 C) per mezzo minuto.

Successivamente, c'erano impulsi di 10 secondi a 69 A. Infine, quando veniva raggiunta la tensione di scarica minima o la temperatura massima consentita, l'operazione di scarica era terminata. La Figura 4 mostra i risultati ottenuti.

Durante gli intervalli di carico elevato, la tensione del terminale è diminuita rapidamente, il che significa che gli ioni di litio all'interno delle celle hanno un movimento limitato e lento.

Tuttavia, la cella migliora rapidamente durante gli intervalli di basso carico. Sebbene la tensione diminuisca lentamente man mano che la cella viene scaricata, è possibile che si riscontrino cali di tensione notevolmente meno precisi dovuti ai carichi più elevati, all'aumentare della temperatura della cella.

Ciò convalida il modo in cui la temperatura dipende dalla resistenza interna della cella.

Abbiamo registrato una resistenza interna alla corrente continua di circa 11 mΩ (la scheda tecnica presenta 10 mΩ) quando la cella è mezza scarica.

Quando la cella si è completamente scaricata, la temperatura è salita a 63 ° C, il che la espone a rischi per la sicurezza. Questo perché non c'è raffreddamento aggiuntivo per le celle, quindi abbiamo smesso di procedere al test con impulsi più lunghi ad alto carico.

La batteria ha fornito un'uscita di 2320 mAh in questo test che era maggiore della capacità nominale.

Con una differenza massima tra le tensioni delle celle a 10 mV, l'abbinamento tra di loro è stato eccezionale per tutto il test.

La scarica a pieno carico è stata interrotta quando la tensione del terminale raggiungeva 1 V per cella.

Un minuto dopo, abbiamo visto un ripristino della tensione a circuito aperto di 2,74 V su ciascuna delle celle.

Test di ricarica rapida

I test di ricarica rapida sono stati condotti a 4 C (9,2 A) senza incorporare un bilanciatore elettronico, ma abbiamo costantemente controllato le tensioni delle singole celle.

Quando si usa batterie al piombo , possiamo solo impostare la corrente di carica iniziale a causa della tensione massima e limitata fornita dal caricabatterie.

Inoltre, la corrente di carica può essere impostata solo dopo che la tensione della cella è salita al punto in cui la corrente di carica inizia a ridursi (corrente costante / carica a tensione costante).

Nel nostro esperimento con LiFePO₄, questo avviene dopo 10 minuti in cui la durata viene ridotta per effetto dello shunt nel contatore.

Sappiamo che la cella viene caricata al 97% o più della sua capacità nominale dopo che sono trascorsi 20 minuti.

Inoltre, la corrente di carica in questa fase è scesa a 0,5 A. Di conseguenza, uno stato 'pieno' delle celle verrà segnalato da un caricatore veloce .

Durante il processo di ricarica rapida, le tensioni delle celle a volte si sono spostate leggermente l'una dall'altra, ma non oltre i 20 mV.

Ma per l'intero processo, le celle hanno terminato la ricarica allo stesso tempo.

Quando si verifica una ricarica rapida, le celle tendono a riscaldarsi un po ', con la temperatura leggermente in ritardo rispetto alla corrente di carica.

Ciò può essere attribuito a perdite nella resistenza interna delle cellule.

È fondamentale seguire le precauzioni di sicurezza durante la ricarica del LiFePO₄e non oltre la tensione di carica consigliata di 3,6 V.

Abbiamo provato a sgattaiolare un po 'oltre e abbiamo tentato di 'sovraccaricare' le celle con una tensione terminale di 7,8 V (3,9 V per cella).

Non è affatto consigliabile ripeterlo a casa.

Sebbene non ci fossero comportamenti strani come il fumo o le perdite e anche i voltaggi delle cellule erano quasi uguali, ma il risultato complessivo non sembrava essere troppo vantaggioso.

• La scarica a 3 ° C ha fornito altri 100 mAh e la tensione di scarica media era relativamente più alta.
• Quello che intendiamo dire è che il sovraccarico provoca un piccolo aumento della densità di energia da 103,6 Wh / kg a 104,6 Wh / kg.
• Tuttavia, non vale la pena sopportare i rischi e possibilmente sottoporre la vita delle cellule a danni permanenti.

Chimica e valutazioni delle batterie

Il concetto di applicare FePO₄la nanotecnologia insieme alla chimica delle batterie al litio serve ad elevare la superficie degli elettrodi su cui possono avvenire le reazioni.

Lo spazio per future innovazioni nell'anodo di grafite (terminale negativo) sembra torbido, ma per quanto riguarda il catodo, ci sono progressi sostanziali.

Al catodo vengono utilizzati composti (tipicamente ossidi) dei metalli di transizione per la cattura ionica. Metalli come manganese, cobalto e nichel utilizzati dai catodi sono stati prodotti in serie.

Inoltre, ognuno di essi ha i suoi rispettivi pro e contro. Il produttore ha optato per il ferro, in particolare il fosfato di ferro (FePO4) in cui hanno scoperto un materiale catodico che anche a tensioni inferiori è abbastanza funzionale da sopportare un'estrema capacità della batteria.

In primo luogo, le batterie agli ioni di litio sono chimicamente stabili solo entro un piccolo intervallo di tensione da 2,3 V a 4,3 V. Ad entrambe le estremità di questo intervallo è necessaria una certa conciliazione per i termini di vita di servizio. In pratica, un limite superiore di 4,2 V è considerato accettabile mentre 4,1 V è raccomandato per una vita prolungata.

Batterie al litio convenzionali che sono costituite da più celle collegate in serie rimanere entro i limiti di tensione tramite componenti elettronici come bilanciatori , equalizzatori o limitatori di tensione precisi.

La complessità di questi circuiti aumenta all'aumentare delle correnti di carica, con conseguenti perdite di potenza aggiuntive. Per gli utenti, questi dispositivi di ricarica non sono troppo preferibili in quanto preferirebbero celle in grado di sopportare una scarica profonda.

Inoltre, gli utenti vorrebbero anche un ampio intervallo di temperatura e la possibilità di una ricarica rapida. Tutti questi mettono la nanotecnologia FePO₄basato su LiFePO₄le celle diventano le preferite nell'innovazione delle batterie agli ioni di litio.

Conclusioni preliminari

A causa delle loro curve di tensione di scarica elaborate e piatte che ancorano l'esecuzione di applicazioni industriali ad alta corrente, il LiFePO₄o il FePO₄Le celle agli ioni di litio a catodo sono molto desiderabili.

Non solo hanno una densità di energia sostanzialmente maggiore rispetto alle celle agli ioni di litio convenzionali, ma anche una densità di potenza estremamente elevata.

La combinazione di bassa resistenza interna e peso ridotto è di buon auspicio per le celle sostitutive a seconda del nichel o del piombo nelle applicazioni ad alta potenza.

In genere, le celle non possono sopportare una scarica continua a 30 ° C senza subire un pericoloso aumento della temperatura. Questo è svantaggioso perché non vorresti che una cella da 2,3 Ah si scarichi a 70 A in soli due minuti. In questo tipo di applicazioni, l'utente ottiene opzioni più ampie rispetto alle tradizionali celle al litio.

Il rovescio della medaglia, c'è una continua richiesta di una ricarica più rapida, in particolare se la durata della ricarica può essere ridotta drasticamente. Probabilmente questo è uno dei motivi per cui LiFePO₄celle è disponibile in trapani a percussione professionali da 36 V (10 celle).

Le celle al litio vengono impiegate al meglio nelle automobili ibride e rispettose dell'ambiente. Utilizzando solo quattro FePO₄le celle (13,2 V) in un pacco batteria hanno un peso inferiore del 70% rispetto a una batteria al piombo. Il miglioramento del ciclo di vita del prodotto e un'energia significativamente più elevata oltre alle densità di potenza hanno supportato lo sviluppo di veicolo ibrido tecnologia in gran parte nei veicoli a emissioni zero.