Hoewel Li-ion- en lithiumpolymeer-elektrolyt (LiPo) -batterijen een ongeëvenaarde energiedichtheid hebben, zijn op lithium gebaseerde batterijen kostbaar om te produceren en moeten ze nauwgezet worden gehanteerd en moeten ze voorzichtig worden opgeladen.
Met de vooruitgang van de nanotechnologie is het fabricageproces van de kathode-elektrode voor deze batterijen aanzienlijk verbeterd.
De doorbraak van op nanotechnologie gebaseerde high-load LiFePO4cellen zijn geavanceerder dan de traditionele Li-ion- of Lipo-cellen.
Laten we meer leren:
Wat is LiFePO4Batterij
De lithium-ijzerfosfaatbatterij (LiFePO4batterij) of LFP-batterij (lithiumferrofosfaat), is een vorm van lithium ion batterij die LiFePO in dienst heeft4als het kathodemateriaal (in de batterijen vormt deze kathode de positieve elektrode), en een grafietkoolstofelektrode met een metalen drager die de anode vormt.
De energiedichtheid van LiFePO4is kleiner in vergelijking met de conventionele lithiumkobaltoxide (LiCoO 2) -chemie, en heeft een kleinere werkspanning.
Het meest cruciale nadeel van LiFePO4is de verminderde elektrische geleidbaarheid. Het resultaat is dat elk van de LiFePO4kathodes waarmee rekening wordt gehouden, zijn in werkelijkheid LiFePO4/ C.
Vanwege goedkopere kosten, minimale toxiciteit, nauwkeurig gespecificeerde prestaties, uitgebreide stabiliteit, etc. LiFePO4is populair geworden in een aantal voertuiggebaseerde toepassingen, stationaire toepassingen op utiliteitsschaal en ook in omvormers en omvormertoepassingen.
Voordelen van LiFePO4Batterij
De nanofosfaatcellen combineren de voordelen van traditionele lithiumcellen met de voordelen van op nikkel gebaseerde verbindingen. Dit alles gebeurt zonder de nadelen van beide kanten te ervaren.
Deze ideaal NiCd-batterijen hebben verschillende voordelen zoals:
- Veiligheid - Ze zijn niet ontvlambaar, dus er is geen beschermingscircuit nodig.
- Robuust - De batterijen hebben een lange levensduur en een standaard oplaadmethode.
- Hoge tolerantie voor zware belastingen en snel opladen.
- Ze hebben een constante ontladingsspanning (een vlakke ontladingscurve).
- Hoge celspanning en lage zelfontlading
- Superieur vermogen en compacte energiedichtheid
Verschil tussen LiFePO4en Li-ionbatterij
Conventioneel Li-ion-cellen zijn voorzien van een minimale spanning van 3,6 V en een laadspanning van 4,1 V. Bij beide spanningen is er een verschil van 0,1 V bij verschillende fabrikanten. Dit is het belangrijkste verschil.
De nanofosfaatcellen hebben een nominale spanning van 3,3 V en een onderdrukte laadspanning van 3,6 V. De normale capaciteit van 2,3 Ah komt vrij vaak voor in vergelijking met de 2,5 of 2,6 Ah capaciteit die standaard Li-Ion-cellen bieden.
De meer opvallende ongelijkheid zit in het gewicht. De nanofosfaatcel weegt slechts 70 gram, terwijl zijn tegenhanger, de Sony of Panasonic Li-Ion-cel een gewicht heeft van respectievelijk 88 gram en 93 gram.
De belangrijkste reden hiervoor is weergegeven in figuur 1, waar de behuizing van de geavanceerde nanofosfaatcel is gemaakt van aluminium en niet van plaatstaal.
Bovendien heeft dit een ander voordeel ten opzichte van de conventionele cellen, aangezien aluminium de warmtegeleiding van de cel beter verbetert.
Nog een innovatief ontwerp is de behuizing die de positieve pool van de cel vormt. Het is gebouwd met een dunne laag ferromagnetisch materiaal dat de echte contacten vormt.
Specificaties voor opladen / ontladen en werken
Om vroegtijdige schade aan de accu te voorkomen, raden we aan om de maximaal toegestane laadstroom / -spanning toe te passen, voor het geval je de specificaties van het gegevensblad moet controleren.
Ons kleine experiment toonde aan dat de eigenschappen van de batterij zijn veranderd. Bij elke laad- / ontlaadcyclus registreerden we een capaciteitsdaling van ongeveer 1 mAh (0,005%) van de minimale capaciteit.
In eerste instantie hebben we geprobeerd onze LiFePO op te laden4cel op de volle 1 C (2,3 A) en stel de ontladingswaarde in op 4 C (9,2 A). Verbazingwekkend genoeg was er tijdens het opladen geen stijging van de celtemperatuur. Tijdens het lossen liep de temperatuur echter op van 21 ° C naar 31 ° C.
De ontladingstest voor 10 C (23 A) verliep goed met een geregistreerde celtemperatuurstijging van 49 ° C. Nadat de celspanning was gedaald tot 4 V (gemeten onder belasting), leverde de batterij een gemiddelde ontladingsspanning (Um) van 5,68 V of 2,84 V op elke cel. De energiedichtheid werd berekend op 94 Wh / kg.
Bij hetzelfde groottebereik presenteert de Sony 26650VT-cel een hogere gemiddelde spanning van 3,24 V bij een ontlading van 10 C met een lagere energiedichtheid van 89 Wh / kg.
Dit is lager dan de LiFePO4celdichtheid. Het verschil kan worden toegeschreven aan een verminderd celgewicht. Maar de LiFePO4-cellen hebben significant lagere prestaties dan de LiPo-cellen.
Dit laatste wordt veelvuldig toegepast op modelleercircuits en ze hebben een gemiddelde ontladingsspanning van 3,5 V of meer bij 10 ° C. Qua energiedichtheid hebben de LiPo-cellen ook de overhand met bereiken tussen 120 Wh / kg en 170 Wh / kg .
Bij ons volgende onderzoek hebben we de LiFePO volledig opgeladen4cellen bij 1 C en koelden ze later af tot -8 ° C. De daaropvolgende afvoer bij 10 C gebeurde bij kamertemperatuur die rond de 23 ° C ligt.
De oppervlaktetemperatuur van de cellen was daarna gestegen tot 9 ° C. Toch moet de interne temperatuur van de cel aanzienlijk lager zijn geweest, hoewel directe meting niet mogelijk was.
In figuur 2 kun je de klemspanning (rode lijn) zien van de gekoelde cellen die in het begin zijn gedoken. Naarmate de temperatuur steeg, keerde deze terug naar hetzelfde niveau alsof de test werd uitgevoerd met de cellen bij omgevingstemperatuur.
Verrassend genoeg is het verschil in de eindtemperatuur laag (47 ° C tegen 49 ° C). Dit komt doordat de interne weerstand van de cellen afhankelijk is van de temperatuur. Dat betekent dat wanneer de cellen koud zijn (lage temperatuur), er intern aanzienlijk meer vermogen wordt gedissipeerd.
Het volgende onderzoek had betrekking op de ontlaadstroom waar deze opliep tot 15 C (34,5 A), de cellen vertoonden meer dan hun minimale capaciteit toen de temperatuur escaleerde van 23 ° C naar 53 ° C.
Testen van extreme huidige capaciteit van LiFePO4Cellen
We hebben u een eenvoudige circuitconfiguratie laten zien in figuur 3. We hebben een circuit met lage weerstand gebruikt om de piekstroomniveaus te meten.
De combinatie van weerstanden inclusief de 1 mΩ shuntweerstand, de ingebouwde weerstand van de 100 A current sink en zijn medewerkers (kabelweerstanden en contactweerstanden in de MPX-connector).
De extreem lage weerstand verhinderde dat de ontlading van een enkele lading meer dan 65 A bedroeg.
Daarom hebben we geprobeerd de hoge-stroommetingen te delegeren door twee cellen in serie te gebruiken zoals voorheen. Hierdoor konden we de spanning tussen de cellen meten met een multimeter.
De huidige put in dit experiment is mogelijk overbelast vanwege de nominale stroom van de cel van 120 A. Door de omvang van onze evaluatie te beperken, hebben we de temperatuurstijgingen bij een ontlading van 15 C gecontroleerd.
Hieruit bleek dat het niet passend is om de cellen in één keer te testen op hun nominale continue ontladingssnelheid van 30 C (70 A).
Er is substantieel bewijs dat een celoppervlaktetemperatuur van 65 ° C tijdens het ontladen de bovengrens is voor veiligheid. Dus hebben we het resulterende afvoerschema opgesteld.
Ten eerste worden de cellen bij 69 A (30 C) gedurende 16 seconden ontladen. Daarna werd het gevolgd door afwisselende ‘herstel’-intervallen van 11,5 A (5 C) gedurende een halve minuut.
Daarna waren er pulsen van 10 seconden bij 69 A. Ten slotte, toen ofwel de minimale ontladingsspanning ofwel de maximaal toelaatbare temperatuur was bereikt, werd de ontladingsoperatie beëindigd. Figuur 4 geeft de verkregen resultaten weer.
Tijdens de hoge belastingsintervallen daalde de klemspanning snel, wat betekent dat de lithiumionen in de cellen een beperkte en langzame beweging hebben.
Toch verbetert de cel snel tijdens de intervallen met lage belasting. Hoewel de spanning langzaam daalt wanneer de cel wordt ontladen, is het mogelijk dat u aanzienlijk minder nauwkeurige spanningsdalingen vindt door de hogere belastingen, naarmate de celtemperatuur toeneemt.
Dit valideert hoe de temperatuur afhankelijk is van de interne weerstand van de cel.
We registreerden een interne weerstand tegen DC van ongeveer 11 mΩ (datasheet presenteert 10 mΩ) wanneer de cel half ontladen is.
Toen de cel helemaal leeg was, was de temperatuur gestegen tot 63 ° C, wat hem blootstelt aan veiligheidsrisico's. Dit komt omdat er geen extra koeling voor de cellen is, dus zijn we gestopt met testen met langere pulsen met hoge belasting.
De accu gaf in deze test een output van 2320 mAh wat groter was dan de nominale capaciteit.
Met een maximaal verschil tussen de celspanningen bij 10 mV, was de onderlinge afstemming tijdens de test uitstekend.
De ontlading bij volledige belasting werd stopgezet toen de klemspanning 1 V per cel bereikte.
Een minuut later zagen we een herstel van 2,74 V nullastspanning over elk van de cellen.
Snelle oplaadtest
Snellaadtests werden uitgevoerd bij 4 C (9,2 A) zonder ingebouwde elektronische balancer, maar we hebben constant de individuele celspanningen gecontroleerd.
Tijdens gebruik loodzuur batterijen , kunnen we alleen de initiële laadstroom instellen vanwege de maximale en beperkte spanning die door de oplader wordt geleverd.
Ook kan de laadstroom pas worden ingesteld nadat de celspanning is gestegen tot een punt waarop de laadstroom begint af te nemen (constante stroom / constante spanning laden).
In ons experiment met LiFePO4, dit gebeurt na 10 minuten waarbij de duur wordt verkort door het effect van de shunt in de meter.
We weten dat de cel is opgeladen tot 97% of meer van zijn nominale capaciteit nadat 20 minuten zijn verstreken.
Bovendien is de laadstroom in dit stadium gedaald tot 0,5 A.Daardoor wordt een ‘volle’ toestand van de cellen gerapporteerd door een snelle oplader
Tijdens het snellaadproces verschoven de celspanningen soms een beetje van elkaar, maar niet verder dan 20 mV.
Maar voor het hele proces waren de cellen tegelijkertijd klaar met opladen.
Bij snelladen hebben de cellen de neiging om behoorlijk op te warmen, waarbij de temperatuur enigszins achterblijft bij de laadstroom.
Dit kan worden toegeschreven aan verliezen in de interne weerstand van de cellen.
Het is van fundamenteel belang om veiligheidsmaatregelen te volgen bij het opladen van de LiFePO4en niet hoger dan de aanbevolen laadspanning van 3,6 V.
We probeerden er een beetje langs te sluipen en probeerden de cellen te ‘overladen’ met een klemspanning van 7,8 V (3,9 V per cel).
Het is helemaal niet aan te raden om dit thuis te herhalen.
Hoewel er geen vreemd gedrag was zoals roken of lekken en de celspanningen ook bijna gelijk waren, leek het algehele resultaat niet al te gunstig.
- De 3 C-ontlading leverde 100 mAh extra op en de gemiddelde ontladingsspanning was relatief hoger.
- Wat we bedoelen te zeggen is dat overladen een kleine stijging van de energiedichtheid veroorzaakt van 103,6 Wh / kg naar 104,6 Wh / kg.
- Het is het echter niet waard om de risico's te dragen en mogelijk de levensduur van de cellen aan blijvende schade te onderwerpen.
Batterijchemie en evaluaties
Het concept van het toepassen van FePO4nanotechnologie samen met een lithiumbatterijchemie is om het oppervlak van de elektroden te vergroten waarover reacties kunnen plaatsvinden.
Er is ruimte voor toekomstige innovatie in de grafietanode (minpool) ziet er troebel uit, maar wat betreft de kathode is er aanzienlijke vooruitgang.
Aan de kathode worden verbindingen (meestal oxiden) van overgangsmetalen gebruikt voor het vangen van ionen. Metalen zoals mangaan, kobalt en nikkel die door kathodes worden gebruikt, zijn in massaproductie geweest.
Bovendien heeft elk van hen zijn voor- en nadelen. De fabrikant koos voor ijzer, met name ijzerfosfaat (FePO4), waarin ze een kathodemateriaal ontdekten dat zelfs bij lagere spanningen functioneel genoeg is om een extreme batterijcapaciteit te doorstaan.
In de eerste plaats zijn Li-ionbatterijen alleen chemisch stabiel binnen een klein spanningsbereik van 2,3 V tot 4,3 V. Aan beide uiteinden van dit bereik is bepaalde verzoening nodig voor de levensduur. In de praktijk wordt een bovengrens van 4,2 V als acceptabel beschouwd, terwijl 4,1 V wordt aanbevolen voor een langere levensduur.
Conventionele lithiumbatterijen die zijn gemaakt van meerdere cellen in serie verbonden blijf binnen de spanningslimieten via elektronische add-ons zoals balancers , equalizers of nauwkeurige spanningsbegrenzers.
De complexiteit van deze circuits neemt toe naarmate de laadstromen toenemen, wat resulteert in extra vermogensverliezen. Voor gebruikers hebben deze oplaadapparaten niet al te de voorkeur, omdat ze liever cellen verkiezen die diep kunnen ontladen.
Verder willen gebruikers ook graag een breed temperatuurbereik en de mogelijkheid om snel op te laden. Al deze zetten de nano-technologie FePO4op basis van LiFePO4cellen worden de favorieten in de innovatie van Li-Ion-batterijen.
Voorlopige conclusies
Vanwege hun zeer vlakke ontladingsspanningscurves die de uitvoering van industriële toepassingen met hoge stromen verankeren, is de LiFePO4of de FePO4-kathode Li-Ion-cellen zijn zeer wenselijk.
Ze hebben niet alleen aanzienlijk meer energiedichtheid dan conventionele Li-Ion-cellen, maar ook een buitengewoon hoge vermogensdichtheid.
De combinatie van lage interne weerstand en laag gewicht is een goed voorteken voor de vervangende cellen die afhankelijk zijn van nikkel of lood in toepassingen met een hoog vermogen.
Meestal kunnen cellen geen continue ontlading bij 30 ° C verdragen zonder een gevaarlijke temperatuurstijging te ervaren. Dit is nadelig omdat je niet wilt dat een 2,3 Ah-cel in slechts twee minuten op 70 A ontlaadt. Bij dit soort toepassingen krijgt de gebruiker ruimere opties dan traditionele lithiumcellen.
Aan de andere kant is er een continue vraag naar sneller opladen, vooral als de oplaadduur drastisch kan worden verkort. Dit is waarschijnlijk een van de redenen waarom LiFePO4cellen is verkrijgbaar in professionele klopboormachines van 36 V (10 serie cellen).
Lithiumcellen kunnen het beste worden ingezet in hybride en milieuvriendelijke auto's. Met slechts vier FePO4cellen (13,2 V) in een accupack leveren 70% minder gewicht op dan een loodzuuraccu. Een verbeterde levenscyclus van het product en aanzienlijk hogere energie bovenop de vermogensdichtheden hebben de ontwikkeling van hybride voertuig technologie grotendeels in emissievrije voertuigen.
Een paar: Ceiling LED Lamp Driver Circuit Volgende: Hoe maak je een kleurstofgevoelige zonnecel of zonnecel van vruchtenthee
