Especificações de carregamento / descarregamento da bateria LiFePO4, vantagens explicadas

Especificações de carregamento / descarregamento da bateria LiFePO4, vantagens explicadas

Enquanto as baterias de íon de lítio e eletrólito de polímero de lítio (LiPo) possuem densidade de energia incomparável, as baterias de lítio são caras de produzir e precisam de manuseio meticuloso, juntamente com um carregamento cauteloso.



Com o avanço da nanotecnologia, o processo de fabricação do eletrodo catódico para essas baterias teve uma melhoria substancial.

A ruptura com o LiFePO de alta carga baseado em nanotecnologia4as células são mais avançadas do que as células tradicionais de íons de lítio ou lipo.





Vamos aprender mais:

O que é LiFePO4Bateria

A bateria de fosfato de ferro e lítio (LiFePO4bateria) ou bateria LFP (ferrofosfato de lítio), é uma forma de bateria de íon-lítio que emprega LiFePO4como o material do cátodo (dentro das baterias este cátodo constitui o eletrodo positivo), e um eletrodo de carbono grafite tendo um suporte de metal formando o ânodo.



A densidade de energia do LiFePO4é menor em comparação com a química convencional de óxido de lítio-cobalto (LiCoO 2), além de apresentar uma tensão de trabalho menor.

A desvantagem mais crucial do LiFePO4é a sua condutividade elétrica reduzida. Como resultado, cada um dos LiFePO4cátodos em consideração são na realidade LiFePO4/ C.

Devido a custos mais baratos, toxicidade mínima, desempenho precisamente especificado, estabilidade extensa, etc. LiFePO4tornou-se popular em várias aplicações baseadas em veículos, aplicações estacionárias em balança de utilidades e também em inversores e aplicações de conversores.

Vantagens do LiFePO4Bateria

As células de nanofosfato pegam as vantagens das células de lítio tradicionais e as mesclam com as vantagens dos compostos à base de níquel. Tudo isso acontece sem experimentar as desvantagens de nenhum dos lados.

Estes ideais Baterias NiCd tem várias vantagens como:

  • Segurança - Não são inflamáveis, portanto, não há necessidade de circuito de proteção.
  • Robusta - as baterias têm um ciclo de vida alto e um método de carregamento padrão.
  • Alta tolerância a cargas pesadas e carregamento rápido.
  • Eles têm uma tensão de descarga constante (uma curva de descarga plana).
  • Alta voltagem da célula e baixa autodescarga
  • Potência superior e densidade de energia compacta

Diferença entre LiFePO4e bateria Li-Ion

Convencional Células de íon-lítio estão equipados com uma tensão mínima de 3,6 V e uma tensão de carga de 4,1 V. Há uma diferença de 0,1 V em ambas as tensões com vários fabricantes. Essa é a principal diferença.

As células de nanofosfato têm uma voltagem nominal de 3,3 V e uma voltagem carregada suprimida de 3,6 V. A capacidade normal de 2,3 Ah é bastante comum quando comparada com a capacidade de 2,5 ou 2,6 Ah oferecida pelas células de íons de lítio padrão.

A dissimilaridade mais proeminente está no peso. A célula de nano fosfato pesa apenas 70 g, enquanto sua contraparte, a célula de íon de lítio Sony ou Panasonic pesa 88 ge 93 g, respectivamente.

A principal razão para isso é mostrada na Figura 1, onde o invólucro da célula de nano fosfato avançada é feito de alumínio e não folha de aço.

Além disso, isso traz outra vantagem sobre as células convencionais, pois o alumínio é melhor para melhorar a condução de calor da célula.

Mais um design inovador é o invólucro que forma o terminal positivo da célula. É construído com uma fina camada de material ferromagnético que forma os contatos reais.

Especificações e funcionamento de carga / descarga

Para evitar danos prematuros à bateria, recomendamos aplicar a corrente / tensão de carga máxima permitida, caso seja necessário verificar as especificações da folha de dados.

Nosso pequeno experimento revelou que as propriedades da bateria mudaram. A cada ciclo de carga / descarga, registramos uma queda na capacidade em torno de 1 mAh (0,005%) da capacidade mínima.

No início, tentamos cobrar nosso LiFePO4célula a 1 C completo (2,3 A) e defina o valor de descarga em 4 C (9,2 A). Surpreendentemente, em toda a sequência de carregamento, não houve aumento na temperatura da célula. No entanto, durante a descarga, a temperatura elevou-se de 21 ° C para 31 ° C.

O teste de descarga para 10 C (23 A) correu bem com um aumento da temperatura da célula registrado de 49 ° C. Uma vez que a tensão da célula foi reduzida para 4 V (medida sob carga), a bateria forneceu uma tensão de descarga média (Um) de 5,68 V ou 2,84 V em cada célula. A densidade de energia foi calculada em 94 Wh / kg.

Na mesma faixa de tamanho, a célula Sony 26650VT apresenta uma tensão média maior de 3,24 V na descarga de 10 C com uma densidade de energia menor de 89 Wh / kg.

Isso é inferior ao LiFePO4densidade da célula. A diferença pode ser atribuída à diminuição do peso celular. Mas, o LiFePO4as células têm desempenho significativamente inferior do que as células LiPo.

Este último é frequentemente aplicado a circuitos de modelagem e eles têm uma tensão de descarga média de 3,5 V ou mais a 10 C. Em termos de densidade de energia, as células LiPo também têm a vantagem com faixas entre 120 Wh / kg e 170 Wh / kg .

Em nosso próximo exame, carregamos totalmente o LiFePO4células a 1 C e resfriadas mais tarde a -8 ° C. A descarga que se seguiu a 10 C ocorreu à temperatura ambiente que ronda os 23 ° C.

A temperatura da superfície das células aumentou para 9 ° C depois disso. Ainda assim, a temperatura interna da célula deve ter sido significativamente mais baixa, embora sua medição direta não tenha sido possível.

Na Figura 2 você pode ver a tensão terminal (linha vermelha) das células resfriadas mergulhadas no início. Conforme a temperatura subia, ela voltava ao mesmo nível como se o teste fosse conduzido com as células em temperatura ambiente.

O gráfico mostra o efeito da temperatura nas células. À medida que a temperatura sobe de fria para quente, a voltagem das células resfriadas também aumenta.

Surpreendentemente, a diferença na temperatura final é baixa (47 ° C contra 49 ° C). Isso ocorre porque a resistência interna das células depende da temperatura. Isso significa que quando as células estão frias (baixa temperatura), substancialmente mais energia é dissipada internamente.

O próximo exame foi relacionado à corrente de descarga onde aumentou para 15 C (34,5 A), as células apresentaram mais do que sua capacidade mínima conforme a temperatura subia de 23 ° C para 53 ° C.

Testando a capacidade de corrente extrema do LiFePO4Células

Mostramos uma configuração de circuito simples na Figura 3. Usamos um circuito de baixa resistência para medir os níveis de corrente de pico.

Todas as gravações foram obtidas usando duas células conectadas em série. Um datalogger capturou os resultados. As tensões de células individuais são mostradas nos dois multímetros.

A combinação de resistências incluindo o resistor de shunt de 1 mΩ, a resistência embutida do dissipador de corrente de 100 A e seus associados (resistências de cabo e resistências de contato no conector MPX).

A resistência extremamente baixa evitou que a descarga de uma única carga fosse superior a 65 A.

Portanto, tentamos delegar as medições de alta corrente usando duas células em série como antes. Devido a isso, pudemos medir a tensão entre as células usando um multímetro.

O coletor de corrente neste experimento pode ter sido sobrecarregado por causa da corrente nominal da célula de 120 A. Limitando a extensão de nossa avaliação, monitoramos as elevações de temperatura na descarga de 15 C.

Isso mostrou que não é apropriado testar as células todas de uma vez em sua taxa de descarga contínua nominal de 30 C (70 A).

Há evidências substanciais de que a temperatura da superfície da célula de 65 ° C durante a descarga é o limite superior de segurança. Então, construímos o cronograma de descarga resultante.

Em primeiro lugar, a 69 A (30 C), as células são descarregadas por 16 segundos. Em seguida, foi seguido por intervalos alternados de 'recuperação' de 11,5 A (5 C) por meio minuto.

Depois disso, houve pulsos de 10 segundos em 69 A. Finalmente, quando a tensão de descarga mínima ou a temperatura máxima permitida foi atingida, a operação de descarga foi encerrada. A Figura 4 mostra os resultados obtidos.

Ao empregar corrente alternada entre 30 C e 5 C, consegue-se uma descarga de alta taxa.

Ao longo dos intervalos de alta carga, a tensão terminal caiu rapidamente, representando que os íons de lítio dentro das células têm movimento restrito e lento.

Ainda assim, a célula melhora rapidamente durante os intervalos de baixa carga. Embora a tensão caia lentamente conforme a célula é descarregada, você pode encontrar quedas de tensão consideravelmente menos precisas nas cargas mais altas, conforme a temperatura da célula aumenta.

Isso valida como a temperatura depende da resistência interna da célula.

Registramos uma resistência interna à CC em cerca de 11 mΩ (a folha de dados apresenta 10 mΩ) quando a célula está meio descarregada.

Quando a célula estava totalmente descarregada, a temperatura subia para 63 ° C, o que a expõe a riscos de segurança. Isso ocorre porque não há resfriamento adicional para as células, portanto, paramos de prosseguir para o teste com pulsos de alta carga mais longos.

A bateria deu uma saída de 2320 mAh neste teste que foi maior do que a capacidade nominal.

Com uma diferença máxima entre as tensões das células em 10 mV, o casamento entre elas foi excelente durante todo o teste.

A descarga em plena carga foi interrompida quando a tensão terminal atingiu 1 V por célula.

Um minuto depois, vimos uma recuperação de voltagem de circuito aberto de 2,74 V em cada uma das células.

Teste de carga rápida

Os testes de carga rápida foram conduzidos a 4 C (9,2 A) sem incorporar um balanceador eletrônico, mas verificamos constantemente as tensões das células individuais.

Teste de carga rápida de 20 minutos com corrente inicial de 9,2 A

Ao usar baterias de chumbo-ácido , só podemos definir a corrente de carga inicial devido à tensão máxima e limitada fornecida pelo carregador.

Além disso, a corrente de carga só pode ser definida depois que a tensão da célula subiu até um ponto em que a corrente de carga começa a reduzir (carga de corrente constante / tensão constante).

Em nosso experimento com LiFePO4, isso acontece após 10 minutos onde a duração é reduzida pelo efeito do shunt no medidor.

Sabemos que a célula está carregada com 97% ou mais de sua capacidade nominal após 20 minutos.

Além disso, a corrente de carga neste estágio caiu para 0,5 A. Como resultado, um estado 'cheio' das células será relatado por um carregador rápido .

Ao longo do processo de carregamento rápido, as tensões das células às vezes mudavam um pouco uma da outra, mas não além de 20 mV.

Mas no geral do processo, as células terminaram de carregar ao mesmo tempo.

Quando experimenta um carregamento rápido, as células tendem a se aquecer um pouco, com a temperatura um pouco atrasada em relação à corrente de carga.

Isso pode ser atribuído a perdas na resistência interna das células.

É fundamental seguir as precauções de segurança ao carregar o LiFePO4e não além de sua voltagem de carga sugerida de 3,6 V.

Tentamos escapar um pouco e tentamos 'sobrecarregar' as células com uma tensão terminal de 7,8 V (3,9 V por célula).

Não é recomendado repetir isso em casa.

Embora não tenha havido nenhum comportamento estranho, como fumar ou vazar, as tensões das células também foram quase iguais, mas o resultado geral não pareceu ser muito benéfico.

  • A descarga de 3 C forneceu 100 mAh adicionais e a tensão média de descarga foi relativamente mais alta.
  • O que queremos dizer é que a sobrecarga causa uma pequena elevação na densidade de energia de 103,6 Wh / kg para 104,6 Wh / kg.
  • No entanto, não vale a pena suportar os riscos e possivelmente sujeitar a vida das células a danos permanentes.

Química e avaliações da bateria

O conceito de aplicação de FePO4A nanotecnologia, juntamente com a química da bateria de lítio, deve elevar a área de superfície dos eletrodos sobre a qual as reações podem ocorrer.

Há espaço para futuras inovações no ânodo de grafite (terminal negativo) parece turvo, mas em relação ao cátodo, há um progresso substancial.

No cátodo, compostos (normalmente óxidos) de metais de transição são utilizados para a captura de íons. Metais como manganês, cobalto e níquel, que são usados ​​pelos cátodos, são produzidos em massa.

Além disso, cada um deles tem seus respectivos prós e contras. O fabricante optou por ferro, particularmente fosfato de ferro (FePO4), no qual eles descobriram um material catódico que, mesmo em tensões mais baixas, é funcional o suficiente para suportar a capacidade extrema da bateria.

Principalmente, as baterias de íons de lítio são apenas quimicamente estáveis ​​dentro de uma pequena faixa de voltagem de 2,3 V a 4,3 V. Em ambas as extremidades dessa faixa, certas conciliações são necessárias para termos de vida útil. Praticamente, um limite superior de 4,2 V é considerado aceitável, enquanto 4,1 V é recomendado para vida prolongada.

Baterias de lítio convencionais que são compostas por várias células conectadas em série permanecer dentro dos limites de tensão por meio de complementos eletrônicos como balanceadores , equalizadores ou limitadores de tensão precisos.

A complexidade desses circuitos aumenta à medida que as correntes de carga aumentam, resultando em perdas adicionais de energia. Para os usuários, esses dispositivos de carregamento não são muito preferíveis, pois preferem células que podem suportar descarga profunda.

Além disso, os usuários também gostariam de uma ampla faixa de temperatura e a possibilidade de carregamento rápido. Tudo isso coloca a nanotecnologia FePO4LiFePO baseado4as células se tornaram as favoritas na inovação das baterias de íons de lítio.

Conclusões preliminares

Por causa de suas curvas de tensão de descarga elaboradamente planas que ancoram a execução de aplicações industriais de alta corrente, o LiFePO4ou o FePO4células-cátodo Li-Ion são muito desejáveis.

Não só eles têm densidade de energia substancialmente mais do que células convencionais de íons de lítio, mas também uma densidade de potência extremamente alta.

A combinação de baixa resistência interna e baixo peso é um bom presságio para as células de substituição dependendo do níquel ou chumbo em aplicações de alta potência.

Normalmente, as células não podem suportar descarga contínua a 30 C sem sofrer um aumento perigoso de temperatura. Isso é desvantajoso porque você não gostaria que uma célula de 2,3 Ah descarregasse a 70 A em apenas dois minutos. Nesse tipo de aplicação, o usuário obtém opções mais amplas do que as células tradicionais de lítio.

Por outro lado, há uma demanda contínua por um carregamento mais rápido, principalmente se a duração do carregamento puder ser reduzida drasticamente. Provavelmente esta é uma das razões pelas quais LiFePO4as células estão disponíveis em brocas de martelo profissionais de 36 V (células da série 10).

As células de lítio são mais bem implantadas em automóveis híbridos e ecologicamente corretos. Usando apenas quatro FePO4células (13,2 V) em uma bateria rende 70% menos peso do que uma bateria de chumbo-ácido. O ciclo de vida do produto melhorado e energia significativamente maior no topo das densidades de energia têm apoiado o desenvolvimento de Veículo híbrido tecnologia em grande parte em veículos com emissões zero.




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