LiFePO4 Pil Şarj / Boşaltma Teknik Özellikleri, Avantajları Açıklandı

Li-İyon ve Lityum polimer elektrolit (LiPo) piller benzersiz enerji yoğunluğuna sahipken, Lityum bazlı pillerin üretilmesi maliyetlidir ve dikkatli bir şarj ile birlikte titiz bir kullanım gerektirir.

Nanoteknolojinin ilerlemesiyle, bu piller için katot elektrodunun üretim sürecinde önemli bir gelişme görüldü.

Nanoteknoloji tabanlı yüksek yüklü LiFePO'da çığır açan yenilik₄hücreler geleneksel Li-ion veya Lipo hücrelerinden daha gelişmiştir.

Daha fazlasını öğrenelim:

LiFePO nedir₄Batarya

Lityum demir fosfat pil (LiFePO₄pil) veya LFP pil (lityum ferrofosfat), bir Lityum iyon batarya LiFePO kullanan₄katot malzemesi olarak (pillerin içinde bu katot pozitif elektrodu oluşturur) ve anodu oluşturan metal bir desteğe sahip bir grafit karbon elektrotu.

LiFePO'nun enerji yoğunluğu₄geleneksel lityum kobalt oksit (LiCoO 2) kimyasına kıyasla daha küçüktür ve daha düşük çalışma voltajına sahiptir.

LiFePO'nun en önemli dezavantajı₄düşük elektrik iletkenliğidir. Sonuç olarak, LiFePO'nun her biri₄katotlar gerçekte LiFePO'dur₄/ C.

Daha ucuz maliyetler, minimum toksisite, kesin olarak belirlenmiş performans, kapsamlı stabilite vb. Sayesinde LiFePO₄Araç bazlı uygulamalarda, faydalı ölçekli sabit uygulamalarda ve ayrıca invertör, dönüştürücü uygulamalarında popüler hale gelmiştir.

LiFePO'nun Avantajları₄Batarya

Nano fosfat hücreleri, geleneksel lityum hücrelerin avantajlarını alır ve bunları nikel bazlı bileşiklerin avantajlarıyla birleştirir. Tüm bunlar, her iki tarafın dezavantajlarını yaşamadan gerçekleşir.

Bunlar ideal NiCd piller aşağıdaki gibi birkaç avantajı vardır:

• Güvenlik - Yanıcı değildirler, bu nedenle koruma devresine gerek yoktur.
• Sağlam - Pillerin yüksek çevrim ömrü ve standart bir şarj yöntemi vardır.
• Ağır yüklere ve hızlı şarja karşı yüksek tolerans.
• Sabit bir deşarj voltajına (düz bir deşarj eğrisi) sahiptirler.
• Yüksek hücre voltajı ve düşük kendi kendine deşarj
• Üstün güç ve kompakt enerji yoğunluğu

LiFePO Arasındaki Fark₄ve Li-Ion Pil

Konvansiyonel Li-ion hücreler minimum 3,6 V voltaj ve 4,1 V şarj voltajı ile donatılmıştır. Çeşitli üreticilerle bu voltajların her ikisinde de 0,1 V fark vardır. Bu temel farktır.

Nano fosfat hücreleri, 3,3 V nominal gerilime ve 3,6 V'luk bastırılmış şarj gerilimine sahiptir. 2,3 Ah'lik normal kapasite, standart Li-İyon hücrelerin sunduğu 2,5 veya 2,6 Ah kapasiteye karşı oyulduğunda oldukça yaygındır.

Daha belirgin farklılık ağırlıktadır. Nano fosfat hücresi yalnızca 70 g ağırlığındayken, muadili Sony veya Panasonic Li-İyon hücresi sırasıyla 88 g ve 93 g ağırlığa sahiptir.

Bunun ana nedeni, gelişmiş nano fosfat hücrenin kasasının çelik sac değil alüminyumdan yapıldığı Şekil 1'de gösterilmektedir.

Ek olarak, alüminyum hücreden ısı iletimini iyileştirmede daha iyi olduğu için bu, geleneksel hücrelere göre başka bir avantaja sahiptir.

Yenilikçi bir tasarım daha, hücrenin pozitif terminalini oluşturan kasadır. Gerçek kontakları oluşturan ince bir ferromanyetik malzeme tabakası ile inşa edilmiştir.

Şarj Etme / Boşaltma Özellikleri ve Çalışması

Akünün erken hasar görmesini önlemek için, teknik özellikleri veri sayfasından doğrulamanız gerekmesi durumunda izin verilen maksimum şarj akımını / voltajını uygulamanızı öneririz.

Küçük deneyimiz, pilin özelliklerinin değiştiğini ortaya çıkardı. Her şarj / deşarj döngüsünde, minimum kapasitenin 1 mAh'ı (% 0,005) civarında bir kapasite düşüşü kaydettik.

İlk başta, LiFePO'yu şarj etmeye çalıştık₄hücre tam 1 C (2.3 A) ve deşarj değerini 4 C (9.2A) olarak ayarlayın. Şaşırtıcı bir şekilde, şarj dizisi boyunca hücre sıcaklığında artış olmadı. Bununla birlikte, boşaltma sırasında sıcaklık 21 ° C'den 31 ° C'ye yükseldi.

10 C (23 A) için boşalma testi, 49 ° C'lik kaydedilmiş bir hücre sıcaklığı artışı ile iyi gitti. Hücre voltajı 4 V'a düşürüldüğünde (yük altında ölçülür), pil her bir hücre için 5,68 V veya 2,84 V'luk bir ortalama boşalma voltajı (Um) sağladı. Enerji yoğunluğu 94 Wh / kg olarak hesaplandı.

Aynı boyut aralığında, Sony 26650VT hücresi, 89 Wh / kg daha düşük enerji yoğunluğu ile 10 C deşarjda 3,24 V gibi daha yüksek bir ortalama voltaj sunar.

Bu, LiFePO'dan daha düşük₄hücre yoğunluğu. Fark, hücre ağırlığının azalmasına bağlanabilir. Ancak, LiFePO₄hücreler, LiPo hücrelerinden önemli ölçüde daha düşük performansa sahiptir.

İkincisi, modelleme devrelerine sıklıkla uygulanır ve 10 C'de ortalama deşarj voltajı 3,5 V veya daha fazladır. Enerji yoğunluğu açısından, LiPo hücreleri ayrıca 120 Wh / kg ve 170 Wh / kg aralığına sahiptir. .

Bir sonraki incelememizde LiFePO'yu tamamen doldurduk₄hücreler 1 ° C'de tutuldu ve daha sonra -8 ° C'ye soğutuldu. 10 C'deki ardından gelen deşarj, yaklaşık 23 ° C olan oda sıcaklığında gerçekleşti.

Hücrelerin yüzey sıcaklığı bundan sonra 9 ° C'ye yükseldi. Yine de, hücrenin iç sıcaklığı, doğrudan ölçümü mümkün olmasa da, önemli ölçüde daha düşük olmalıydı.

Şekil 2'de, soğutulan hücrelerin uç geriliminin (kırmızı çizgi) başlangıçta daldığını görebilirsiniz. Sıcaklık yükseldikçe, test ortam sıcaklığında hücrelerle yapılmış gibi aynı seviyeye geri döndü.

Şaşırtıcı bir şekilde, son sıcaklıktaki fark düşüktür (47 ° C'ye karşı 49 ° C). Bunun nedeni, hücrelerin iç direncinin sıcaklığa bağlı olmasıdır. Bu, hücreler soğuk olduğunda (düşük sıcaklık), önemli ölçüde daha fazla gücün dahili olarak dağıtıldığı anlamına gelir.

Bir sonraki inceleme, 15 C'ye (34,5 A) yükseldiği deşarj akımı ile ilgiliydi, sıcaklık 23 ° C'den 53 ° C'ye yükselirken hücreler minimum kapasitelerinden fazlasını sundular.

LiFePO'nun Aşırı Akım Kapasitesinin Test Edilmesi₄Hücreler

Şekil 3'te size basit bir devre konfigürasyonu gösterdik. Tepe akım seviyelerini ölçmek için düşük dirençli bir devre kullandık.

1 mΩ şönt direnci, 100 A akım düşürücüsünün yerleşik direncini ve ortaklarını içeren dirençlerin kombinasyonu (MPX konektöründeki kablo dirençleri ve kontak dirençleri).

Aşırı düşük direnç, tek bir şarjın deşarjının 65 A'nın üzerine çıkmasını engelledi.

Bu nedenle, daha önce olduğu gibi seri halde iki hücre kullanarak yüksek akım ölçümlerini delege etmeye çalıştık. Bundan dolayı, hücreler arasındaki voltajı bir multimetre kullanarak ölçebiliriz.

Bu deneydeki akım düşmesi, hücrenin 120 A'lik nominal akımı nedeniyle aşırı yüklenmiş olabilir. Değerlendirmemizin kapsamını sınırlayarak, 15 C deşarjdaki sıcaklık artışlarını izledik.

Bu, hücrelerin 30 C (70 A) nominal sürekli deşarj oranında aynı anda test edilmesinin uygun olmadığını gösterdi.

Deşarj sırasında 65 ° C'lik bir hücre yüzey sıcaklığının güvenlik için üst sınır olduğuna dair önemli kanıtlar vardır. Böylece ortaya çıkan tahliye programını oluşturduk.

İlk olarak 69 A (30 C) 'de hücreler 16 saniye boşaltılır. Ardından, yarım dakika boyunca 11,5 A (5 C) 'lik dönüşümlü' kurtarma 'aralıkları izledi.

Bundan sonra, 69 A'da 10 saniyelik darbeler oldu. Son olarak, minimum deşarj voltajına veya izin verilen maksimum sıcaklığa ulaşıldığında, boşaltma işlemi sona erdirildi. Şekil 4, elde edilen sonuçları göstermektedir.

Yüksek yük aralıkları boyunca, terminal voltajı hızlı bir şekilde düşerek hücrelerdeki lityum iyonlarının kısıtlı ve yavaş hareket ettiğini gösterir.

Yine de hücre, düşük yük aralıklarında hızla gelişir. Hücre boşaldıkça voltaj yavaş yavaş düşse de, hücre sıcaklığı arttıkça daha yüksek yükler nedeniyle önemli ölçüde daha az doğru voltaj düşüşleri görebilirsiniz.

Bu, sıcaklığın hücrenin iç direncine nasıl bağlı olduğunu doğrular.

Hücre yarı deşarj olduğunda DC'ye karşı yaklaşık 11 mΩ (veri sayfası 10 mΩ gösterir) bir dahili direnç kaydettik.

Hücre tamamen boşaldığında, sıcaklık 63 ° C'ye yükseldi ve bu da onu güvenlik risklerine maruz bırakır. Bunun nedeni, hücreler için ek soğutma olmamasıdır, bu nedenle daha uzun yüksek yük darbeleri ile test etmeye devam etmeyi bıraktık.

Batarya, bu testte nominal kapasiteden daha büyük 2320 mAh çıktı verdi.

10 mV'de hücre voltajları arasında maksimum farkla, aralarındaki eşleşme test boyunca olağanüstü olmuştur.

Tam yükte deşarj, terminal voltajı hücre başına 1 V'a ulaştığında durduruldu.

Bir dakika sonra, hücrelerin her birinde 2,74 V açık devre voltajının geri kazanıldığını gördük.

Hızlı Şarj Testi

Hızlı şarj testleri, elektronik bir dengeleyici dahil edilmeden 4 C'de (9,2 A) gerçekleştirildi, ancak bireysel hücre voltajlarını sürekli olarak kontrol ettik.

Kullanırken kurşun asit piller , yalnızca şarj cihazının sağladığı maksimum ve sınırlı voltaj nedeniyle ilk şarj akımını ayarlayabiliriz.

Ayrıca, şarj akımı ancak hücre voltajı şarj akımının azalmaya başladığı bir noktaya yükseldikten sonra ayarlanabilir (sabit akım / sabit voltaj şarjı).

LiFePO ile yaptığımız deneyde₄Bu, sayaçtaki şantın etkisiyle sürenin kısaldığı 10 dakika sonra olur.

Hücrenin 20 dakika geçtikten sonra nominal kapasitesinin% 97'si veya daha fazlasına şarj edildiğini biliyoruz.

Ayrıca, bu aşamadaki şarj akımı 0,5 A'ya düşmüştür. Sonuç olarak, hücrelerin 'tam' durumu, bir hızlı şarj cihazı .

Hızlı şarj işlemi boyunca, hücre voltajları bazen birbirinden biraz hareket etti, ancak 20 mV'yi geçmedi.

Ancak sürecin tamamı için, hücreler aynı anda şarj etmeyi bitirdi.

Hızlı şarj yaşandığında, hücreler biraz ısınma eğilimindedir ve sıcaklık şarj akımının biraz gerisinde kalır.

Bu, hücrelerin iç direncindeki kayıplara bağlanabilir.

LiFePO'yu şarj ederken güvenlik önlemlerine uymak çok önemlidir₄ve önerilen 3,6 V şarj voltajının ötesinde değil.

Biraz geçmeye çalıştık ve 7,8 V (hücre başına 3,9 V) terminal voltajıyla hücreleri 'aşırı yüklemeye' çalıştık.

Bunu evde tekrarlamanız kesinlikle tavsiye edilmez.

Sigara içmek veya sızıntı yapmak gibi garip bir davranış olmamasına ve hücre voltajlarının neredeyse eşit olmasına rağmen, genel sonuç çok faydalı görünmüyordu.

• 3 C deşarjı ek bir 100 mAh sağladı ve ortalama deşarj voltajı nispeten yüksekti.
• Demek istediğimiz, aşırı şarjın enerji yoğunluğunda 103.6 Wh / kg ila 104.6 Wh / kg arasında küçük bir dalgalanmaya neden olmasıdır.
• Ancak risklere katlanmak ve muhtemelen hücrelerin yaşamını kalıcı hasara maruz bırakmak buna değmez.

Pil Kimyası ve Değerlendirmeleri

FePO uygulama kavramı₄Nanoteknoloji, bir lityum pil kimyası ile birlikte, üzerinde reaksiyonların gerçekleşebileceği elektrotların yüzey alanını yükseltmektir.

Grafit anotta (negatif terminal) gelecekteki yenilikler için yer var, ancak katotla ilgili olarak önemli ilerleme var.

İyon yakalama için katot bileşiklerinde (tipik olarak oksitler) geçiş metalleri kullanılır. Katotların kullandığı manganez, kobalt ve nikel gibi metaller seri üretime girmiştir.

Dahası, her birinin kendi artıları ve eksileri vardır. Üretici demiri, özellikle de düşük voltajlarda bile aşırı pil kapasitesine dayanacak kadar işlevsel olan bir katot malzemesi keşfettikleri demir fosfatı (FePO4) tercih etti.

Esasen, Li-Ion piller yalnızca 2,3 V ila 4,3 V arasında çok küçük bir voltaj aralığında kimyasal olarak kararlıdır. Bu aralığın her iki ucunda da hizmet ömrü açısından belirli uzlaştırma gereklidir. Pratik olarak, 4,2 V'luk bir üst sınır kabul edilebilir kabul edilirken, daha uzun ömür için 4,1 V önerilir.

Aşağıdakilerden oluşan geleneksel lityum piller seri bağlı birkaç hücre gibi elektronik eklentiler aracılığıyla voltaj sınırları içinde kalın dengeleyiciler , eşitleyiciler veya hassas voltaj sınırlayıcılar.

Bu devrelerin karmaşıklığı, şarj akımları arttıkça artar ve bu da ek güç kayıplarına neden olur. Kullanıcılar için bu şarj cihazları, derin deşarja dayanabilen hücreleri tercih ettikleri için çok tercih edilmiyor.

Ayrıca, kullanıcılar geniş bir sıcaklık aralığı ve hızlı şarj imkanı da istemektedir. Tüm bunlar nano teknoloji FePO'yu₄tabanlı LiFePO₄hücreler, Li-Ion pillerin yeniliğinde favoriler haline geldi.

Ön sonuçlar

LiFePO, yüksek akımlı endüstriyel uygulamaların yürütülmesini sağlamlaştıran ayrıntılı düz deşarj gerilimi eğrileri nedeniyle₄veya FePO₄- katot Li-İyon hücreleri çok arzu edilir.

Sadece geleneksel Li-Ion hücrelerden önemli ölçüde daha fazla enerji yoğunluğuna sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda son derece yüksek güç yoğunluğuna da sahiptirler.

Yüksek güç uygulamalarında nikel veya kurşuna bağlı olarak yedek hücreler için düşük iç direnç ve düşük ağırlıklı işaretlerin kombinasyonu.

Tipik olarak hücreler, tehlikeli bir sıcaklık artışı yaşamadan 30 ° C'de sürekli boşalmaya dayanamazlar. Bu dezavantajlıdır çünkü 2,3 Ah'lik bir hücrenin 70 A'da sadece iki dakikada deşarj olmasını istemezsiniz. Bu tür uygulamalarda kullanıcı, geleneksel lityum hücrelere göre daha geniş seçeneklere sahip olur.

Kapak tarafında, özellikle şarj süresi önemli ölçüde azaltılabiliyorsa, daha hızlı şarj için sürekli bir talep vardır. Muhtemelen bu, LiFePO'nun nedenlerinden biridir.₄hücreler 36 V (10 seri hücre) profesyonel darbeli matkaplarda mevcuttur.

Lityum hücreler en iyi şekilde hibrit ve çevre dostu otomobillerde kullanılır. Sadece dört FePO kullanarak₄Bir pil paketindeki hücreler (13,2 V), kurşun asitli bir aküye göre% 70 daha az ağırlık verir. Güç yoğunluklarının yanı sıra geliştirilmiş ürün yaşam döngüsü ve önemli ölçüde daha yüksek enerji, Hibrid araç teknoloji büyük ölçüde sıfır emisyonlu araçlarda.