Míg a Li-Ion és a lítium-polimer elektrolit (LiPo) akkumulátorok páratlan energiasűrűséggel rendelkeznek, a lítium-alapú akkumulátorok előállítása költséges, és körültekintő kezelésre van szükségük óvatos töltés mellett.
A nanotechnológia fejlődésével a katódelektród gyártási folyamata ezen elemek számára jelentős javulást mutatott.
Áttörés a nanotechnológia-alapú nagy terhelésű LiFePO-n4a sejtek fejlettebbek, mint a hagyományos Li-ion vagy Lipo sejtek.
Tudjunk meg többet:
Mi a LiFePO4Akkumulátor
A lítium-vas-foszfát akkumulátor (LiFePO4akkumulátor) vagy az LFP akkumulátor (lítium-ferrofoszfát) egy formája lítium-ion akkumulátor amely a LiFePO-t alkalmazza4mint a katód anyaga (az elemek belsejében ez a katód alkotja a pozitív elektródot), és egy grafit-szén elektróda, amelynek fémtartója képezi az anódot.
A LiFePO energia sűrűsége4kisebb a hagyományos lítium-kobalt-oxid (LiCoO 2) kémiához képest, valamint kisebb üzemi feszültséggel rendelkezik.
A LiFePO legfontosabb hátránya4a csökkent elektromos vezetőképesség. Ennek eredményeként minden LiFePO4katódokat figyelembe venni valójában LiFePO4/ C.
Az olcsóbb költségek, a minimális toxicitás, a pontosan meghatározott teljesítmény, a nagy stabilitás stb. Miatt LiFePO4népszerűvé vált a jármű-alapú alkalmazások, a közüzemi méretű helyhez kötött alkalmazások, valamint az inverteres, konverteres alkalmazások terén.
A LiFePO előnyei4Akkumulátor
A nano-foszfát sejtek előnyben részesítik a hagyományos lítium sejteket, és egyesítik őket a nikkel alapú vegyületek előnyeivel. Mindez úgy történik, hogy egyik fél hátrányait sem tapasztalja.
Ezek az ideálisak NiCd elemek többféle juttatással rendelkezik, például:
- Biztonság - Nem gyúlékonyak, így nincs szükség védelmi áramkörre.
- Robusztus - Az akkumulátorok élettartama magas és szabványos töltési módszer.
- Nagy tolerancia a nehéz terhelésekkel szemben és gyors töltés.
- Állandó kisülési feszültségük van (lapos kisülési görbe).
- Magas cellafeszültség és alacsony önkisülés
- Kiváló teljesítmény és kompakt energiasűrűség
Különbség a LiFePO között4és Li-Ion akkumulátor
Hagyományos Li-ion sejtek minimum 3,6 V feszültséggel és 4,1 V töltőfeszültséggel vannak felszerelve. Mindkét feszültségen 0,1 V különbség van a különböző gyártóknál. Ez a fő különbség.
A nano-foszfát cellák névleges feszültsége 3,3 V, elnyomott feltöltési feszültsége 3,6 V. A normál 2,3 Ah kapacitás meglehetősen gyakori, ha a standard Li-Ion cellák által kínált 2,5 vagy 2,6 Ah kapacitással szembeállítjuk.
A hangsúlyosabb különbség a súlyban van. A nano-foszfát sejt súlya csak 70 g, míg társa, a Sony vagy a Panasonic Li-Ion cellája 88, illetve 93 g.
Ennek fő okát az 1. ábra mutatja, ahol a fejlett nano-foszfátcellák burkolata alumíniumból és nem acéllemezből készül.
Ez további előnyt jelent a hagyományos cellákkal szemben, mivel az alumínium jobban javítja a cellából történő hővezetést.
Még egy innovatív kialakítás a burkolat, amely a sejt pozitív terminálját képezi. Vékony ferromágneses anyagréteggel építik, amely a valódi érintkezéseket képezi.
Töltési / kisütési specifikációk és munka
Az akkumulátor idő előtti károsodásának elkerülése érdekében javasoljuk a maximálisan megengedett töltési áram / feszültség alkalmazását, amennyiben az adatlapon ellenőriznie kell a specifikációkat.
Kis kísérletünk feltárta a megváltozott akkumulátor tulajdonságait. Minden töltési / kisütési ciklusban rögzítettük a minimális kapacitás 1 mAh (0,005%) körüli csökkenését.
Eleinte megpróbáltuk feltölteni a LiFePO-t4cella teljes 1 C-on (2,3 A), és állítsa a kisülési értéket 4 C-ra (9,2A). Megdöbbentő, hogy az egész töltési sorrendben nem nőtt a sejtek hőmérséklete. Az ürítés során azonban a hőmérséklet 21 ° C-ról 31 ° C-ra emelkedett.
A kisütési teszt 10 C (23 A) hőmérsékleten jól ment, a sejtek hőmérsékletének regisztrált 49 ° C-os emelkedésével. Miután a cella feszültsége 4 V-ra csökkent (terhelés alatt mérve), az akkumulátor 5,68 V vagy 2,84 V átlagos kisülési feszültséget (Um) biztosított minden cellán. Az energia sűrűségét 94 Wh / kg-ra számítottuk.
Ugyanezen mérettartományban a Sony 26650VT cella nagyobb, 3,24 V-os átlagos feszültséget mutat 10 C-os kisülésnél, alacsonyabb 89 Wh / kg energiasűrűséggel.
Ez alacsonyabb, mint a LiFePO4sejt sűrűsége. A különbség a csökkent sejtsúlynak tulajdonítható. De, a LiFePO4sejtek teljesítménye lényegesen alacsonyabb, mint a LiPo sejteké.
Ez utóbbit gyakran alkalmazzák a modellező áramkörökön, és átlagos kisülési feszültségük legalább 3,5 V, 10 C-on. Az energia sűrűségét tekintve a LiPo cellák is elsőbbséget élveznek, 120 Wh / kg és 170 Wh / kg közötti tartományokkal. .
A következő vizsgálatunk során teljesen felszámítottuk a LiFePO-t4sejteket 1 C-on, majd később -8 ° C-ra hűtjük. Az ezt követő kibocsátás 10 ° C-on szobahőmérsékleten, 23 ° C körüli hőmérsékleten történt.
A sejtek felületi hőmérséklete ezt követően 9 ° C-ra emelkedett. Ennek ellenére a sejt belső hőmérsékletének jelentősen alacsonyabbnak kellett lennie, bár közvetlen mérése nem volt lehetséges.
A 2. ábrán láthatja a lehűlt cellák kezdeti feszültségét (piros vonal). A hőmérséklet emelkedésével ugyanarra a szintre tért vissza, mintha a vizsgálatot a sejtekkel környezeti hőmérsékleten végeznék.
Meglepő módon a végső hőmérséklet különbsége alacsony (47 ° C és 49 ° C). A sejtek belső ellenállása ugyanis a hőmérséklettől függ. Ez azt jelenti, hogy amikor a sejtek hidegek (alacsony hőmérsékleten), lényegesen több energiát bocsátanak el belülről.
A következő vizsgálat a kisülési áramhoz kapcsolódott, ahol 15 C-ra (34,5 A) nőtt, a cellák minimális kapacitásuknál többet mutattak, mivel a hőmérséklet 23 ° C-ról 53 ° C-ra emelkedett.
A LiFePO extrém áramkapacitásának tesztelése4Sejtek
A 3. ábrán bemutattunk egy egyszerű áramköri konfigurációt. Alacsony ellenállású áramkört használtunk az áram csúcsszintjének mérésére.
Az ellenállások kombinációja, beleértve az 1 mΩ söntellenállást, a 100 A-os áramelnyelő beépített ellenállása és társai (kábelellenállások és érintkezési ellenállások az MPX csatlakozóban).
A rendkívül alacsony ellenállás megakadályozta, hogy egyetlen töltés kisütése meghaladja a 65 A értéket.
Ezért megkíséreltük a nagy áramerősség méréseinek delegálását két cellával, az előzőekhez hasonlóan. Ennek köszönhetően multiméter segítségével megmérhettük a cellák közötti feszültséget.
Ebben a kísérletben a jelenlegi mosogató túlterhelt lehet a cella 120 A névleges áram miatt. Az értékelésünk mértékének korlátozásával figyeltük a hőmérséklet emelkedését 15 C-os kisülésnél.
Ez azt mutatta, hogy nem illik a sejteket egyszerre 30 C (70 A) névleges folyamatos kisülési sebességen tesztelni.
Jelentős bizonyíték van arra, hogy a sejt felszíni hőmérséklete kisülés közben a biztonság felső határa. Tehát elkészítettük a kapott mentesítési ütemtervet.
Először 69 A (30 C) hőmérsékleten a sejteket 16 másodpercig ürítjük. Ezután 11,5 A (5 C) fél percig váltakozó „helyreállítási” intervallumok váltakoztak.
Ezt követően 10 másodperces impulzusok voltak 69 A-nál. Végül, amikor vagy a minimális kisütési feszültséget, vagy a maximálisan megengedett hőmérsékletet elérték, a kisütés befejeződött. A 4. ábra a kapott eredményeket ábrázolja.
A nagy terhelési intervallumok alatt a terminálfeszültség gyorsan csökkent, ami azt jelzi, hogy a cellákban lévő lítiumionok mozgása korlátozott és lassú.
Ennek ellenére a cella gyorsan javul az alacsony terhelésű intervallumok alatt. Habár a cella kisülésekor a feszültség lassan csökken, a cella hőmérsékletének növekedésével a nagyobb terheléseknél lényegesen kevésbé pontos feszültségeséseket tapasztalhat.
Ez igazolja, hogy a hőmérséklet hogyan függ a sejt belső ellenállásától.
Feljegyeztük, hogy a DC ellenállása körülbelül 11 mΩ (az adatlap 10 mΩ-ot mutat), amikor a cella félig lemerült.
Amikor a cella teljesen lemerült, a hőmérséklet 63 ° C-ra emelkedett, ami biztonsági kockázatoknak teszi ki. Ez azért van, mert nincs további hűtés a cellák számára, így abbahagytuk a hosszabb nagy terhelésű impulzusokkal történő tesztelést.
Az akkumulátor ebben a tesztben 2320 mAh teljesítményt adott, amely nagyobb volt, mint a névleges kapacitás.
A cellafeszültségek maximális különbsége 10 mV-nál, a köztük lévő megfelelés a teszt során kiemelkedő volt.
A kisütés teljes terhelésnél leállt, amikor a terminálfeszültség cellánként 1 V-ot ért el.
Egy perccel később 2,74 V nyitott áramfeszültség helyreállását láttuk az egyes cellák felett.
Gyors töltés teszt
Gyors töltési teszteket végeztek 4 C-on (9,2 A) anélkül, hogy elektronikus kiegyensúlyozót használtak volna, de folyamatosan ellenőriztük az egyes cellák feszültségét.
Használat során ólom-sav akkumulátorok , csak a kezdeti töltőáramot tudjuk beállítani a töltő által leadott maximális és korlátozott feszültség miatt.
Ezenkívül a töltőáramot csak akkor lehet beállítani, ha a cella feszültsége egy olyan pontra emelkedett, ahol a töltési áram csökkenni kezd (állandó áram / állandó feszültségű töltés).
A LiFePO-val végzett kísérletünkben4, ez 10 perc elteltével történik, amikor az időtartam csökken a söntnek a mérőben lévő hatása miatt.
Tudjuk, hogy a sejt 20 perc elteltével a névleges kapacitásának legalább 97% -át tölti fel.
Ezen túlmenően a töltési áram ebben a szakaszban 0,5 A-ra csökkent. Ennek eredményeként a cellák „teljes” állapotát egy gyorstöltő .
A gyors töltési folyamat során a cellafeszültség néha kissé elmozdult egymástól, de nem haladta meg a 20 mV-ot.
De a folyamat egészét tekintve a cellák egyszerre fejezték be a töltést.
Gyors töltés esetén a cellák hajlamosak eléggé felmelegedni, a hőmérséklet kissé elmarad a töltési áramtól.
Ez a sejtek belső ellenállásának csökkenésével magyarázható.
A LiFePO töltésekor alapvető fontosságú a biztonsági óvintézkedések betartása4és nem haladhatja meg a javasolt 3,6 V töltési feszültséget.
Megpróbáltunk egy kicsit besurranni, és megkíséreltük a cellákat „túltölteni” 7,8 V (cellánként 3,9 V) terminálfeszültséggel.
Ezt egyáltalán nem ajánlott megismételni otthon.
Bár nem volt furcsa viselkedés, például dohányzás vagy szivárgás, és a cellák feszültsége is majdnem azonos volt, de az általános eredmény nem tűnt túl előnyösnek.
- A 3 C-os kisülés további 100 mAh-t szolgáltatott, és az átlagos kisütési feszültség viszonylag magasabb volt.
- Amit azt akarunk mondani, hogy a túltöltés kicsi energiasűrűség-emelkedést okoz, 103,6 Wh / kg-ról 104,6 Wh / kg-ra.
- Nem érdemes azonban elviselni a kockázatokat, és esetleg a sejtek életét állandó károsodásnak kitenni.
Akkumulátor kémia és értékelések
A FePO alkalmazásának koncepciója4A nanotechnológia és a lítium akkumulátor kémia együttesen növeli az elektródák azon felületét, amelyen keresztül reakciók játszódhatnak le.
A grafitanód (negatív terminál) jövőbeli innovációjának helye felhősnek tűnik, de a katódot tekintve jelentős előrelépés történt.
A katódnál az átmenetifémek vegyületeit (jellemzően oxidjait) használják ionmegkötésre. A katódok által használt fémek, mint például a mangán, a kobalt és a nikkel, tömegtermelésben vannak.
Sőt, mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai. A gyártó a vasat, különösen a vas-foszfátot (FePO4) választotta, amelyben olyan katódanyagot fedeztek fel, amely alacsonyabb feszültség mellett is elég funkcionális ahhoz, hogy kibírja az extrém akkumulátor-kapacitást.
Elsősorban a Li-Ion akkumulátorok kémiailag csak kicsi, 2,3 V és 4,3 V feszültségtartomány között stabilak. Ennek a tartománynak mindkét végén bizonyos egyeztetésre van szükség az élettartam szempontjából. Gyakorlatilag a 4,2 V felső határt tartják elfogadhatónak, míg a hosszabb élettartamhoz 4,1 V ajánlott.
Hagyományos lítium elemek, amelyek több sorba kapcsolt cella maradjon a feszültséghatáron belül elektronikus kiegészítőkkel, például kiegyensúlyozók , hangszínszabályozók vagy pontos feszültségkorlátozók.
Ezeknek az áramköröknek a bonyolultsága növekszik, ahogy a töltési áramok nőnek, ami további teljesítményveszteségeket eredményez. A felhasználók számára ezek a töltőeszközök nem túl előnyösek, mivel inkább a mélykisütést elviselő cellákat részesítik előnyben.
Ezenkívül a felhasználók széles hőmérsékleti tartományt és a gyors töltés lehetőségét is szeretnék. Mindezek a nano-technológiai FePO-t jelentik4alapú LiFePO4a cellák a Li-Ion akkumulátorok innovációjának kedvenceivé válnak.
Előzetes következtetések
A nagyfeszültségű ipari alkalmazások végrehajtását rögzítő, bonyolultan lapos kisülési feszültséggörbéik miatt a LiFePO4vagy a FePO4-katódos Li-Ion sejtek nagyon kívánatosak.
Nemcsak lényegesen nagyobb energiasűrűséggel rendelkeznek, mint a hagyományos Li-Ion cellák, hanem rendkívül nagy teljesítményű sűrűséggel is.
Az alacsony belső ellenállás és az alacsony tömeg kombinációja jó hatással van a pótcellákra, nikkel vagy ólom függvényében, nagy teljesítményű alkalmazásokban.
Általában a sejtek nem képesek elviselni a folyamatos kisülést 30 C-on anélkül, hogy veszélyes hőmérséklet-emelkedést tapasztalnának. Ez hátrányos, mert nem akarja, hogy egy 2,3 Ah-os cella kisütjön 70 A-nál két perc alatt. Az ilyen típusú alkalmazásokban a felhasználó szélesebb lehetőségeket kap, mint a hagyományos lítium cellák.
A másik oldalon folyamatos igény van a gyorsabb töltésre, különösen, ha a töltési idő drasztikusan csökkenthető. Valószínűleg ez az egyik oka annak, hogy a LiFePO4cellák 36 V-os (10 sorozatú cellák) professzionális kalapácsfúrókban kaphatók.
A lítiumcellákat leginkább hibrid és környezetbarát autókban lehet elhelyezni. Mindössze négy FePO felhasználásával4az akkumulátorban lévő cellák (13,2 V) 70% -kal kisebb súlyt adnak, mint az ólom-sav akkumulátorok. A termék életciklusának javulása és a teljesítménysűrűségeken felül jelentősen magasabb energia támogatta a hibrid jármű technológiát nagyrészt nulla kibocsátású járművekben.
Előző: Mennyezeti LED-lámpa meghajtó áramkör Következő: Hogyan készítsünk színezékkel érzékeny napelemet vagy napelemet a gyümölcs teából
