Spezifikationen für das Laden / Entladen von LiFePO4-Akkus, Erläuterte Vorteile

Während Li-Ionen- und Lithium-Polymer-Elektrolyt-Batterien (LiPo) eine unübertroffene Energiedichte besitzen, sind Lithium-basierte Batterien teuer in der Herstellung und erfordern eine sorgfältige Handhabung sowie eine vorsichtige Aufladung.

Mit der Weiterentwicklung der Nanotechnologie hat sich der Herstellungsprozess der Kathodenelektrode für diese Batterien erheblich verbessert.

Der Durchbruch durch nanotechnologiebasiertes Hochlast-LiFePO₄Zellen sind weiter fortgeschritten als die herkömmlichen Li-Ionen- oder Lipo-Zellen.

Lass uns mehr lernen:

Was ist LiFePO?₄Batterie

Die Lithiumeisenphosphatbatterie (LiFePO₄Batterie) oder LFP-Batterie (Lithiumferrophosphat) ist eine Form von Litium-Ionen-Batterie welches LiFePO einsetzt₄als Kathodenmaterial (innerhalb von Batterien bildet diese Kathode die positive Elektrode) und eine Graphit-Kohlenstoffelektrode mit einem Metallträger, der die Anode bildet.

Die Energiedichte von LiFePO₄ist kleiner als die herkömmliche Lithiumkobaltoxid (LiCoO 2) -Chemie und weist eine geringere Arbeitsspannung auf.

Der wichtigste Nachteil von LiFePO₄ist seine verringerte elektrische Leitfähigkeit. Als Ergebnis jeder der LiFePO₄In Betracht gezogene Kathoden sind in Wirklichkeit LiFePO₄/ C.

Aufgrund günstigerer Kosten, minimaler Toxizität, genau spezifizierter Leistung, umfassender Stabilität usw. LiFePO₄ist in einer Reihe von fahrzeugbasierten Anwendungen, stationären Anwendungen im Versorgungsmaßstab und auch in Wechselrichter- und Wandleranwendungen populär geworden.

Vorteile von LiFePO₄Batterie

Die Nanophosphatzellen nutzen die Vorteile traditioneller Lithiumzellen und verbinden sie mit den Vorteilen von Verbindungen auf Nickelbasis. All dies geschieht, ohne die Nachteile beider Seiten zu erfahren.

Diese ideal NiCd-Batterien habe mehrere Vorteile wie:

• Sicherheit - Sie sind nicht brennbar, sodass keine Schutzschaltung erforderlich ist.
• Robust - Die Batterien haben eine hohe Lebensdauer und eine Standardlademethode.
• Hohe Toleranz gegenüber schweren Lasten und schnelles Laden.
• Sie haben eine konstante Entladespannung (eine flache Entladekurve).
• Hohe Zellenspannung und geringe Selbstentladung
• Überlegene Leistung und kompakte Energiedichte

Unterschied zwischen LiFePO₄und Li-Ionen-Akku

Konventionell Li-Ionen-Zellen sind mit einer Mindestspannung von 3,6 V und einer Ladespannung von 4,1 V ausgestattet. Bei beiden Spannungen besteht bei verschiedenen Herstellern eine Differenz von 0,1 V. Dies ist der Hauptunterschied.

Die Nanophosphatzellen haben eine Nennspannung von 3,3 V und eine unterdrückte Ladespannung von 3,6 V. Die normale Kapazität von 2,3 Ah ist ziemlich häufig, wenn sie mit der Kapazität von 2,5 oder 2,6 Ah verglichen wird, die von Standard-Li-Ionen-Zellen angeboten wird.

Die deutlichere Unähnlichkeit liegt im Gewicht. Die Nanophosphatzelle wiegt nur 70 g, während ihr Gegenstück, die Sony- oder Panasonic Li-Ion-Zelle, ein Gewicht von 88 g bzw. 93 g hat.

Der Hauptgrund dafür ist in Abbildung 1 dargestellt, in der das Gehäuse der fortschrittlichen Nanophosphatzelle aus Aluminium und nicht aus Stahlblech besteht.

Darüber hinaus bietet dies einen weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen Zellen, da Aluminium die Wärmeleitung von der Zelle besser verbessert.

Ein weiteres innovatives Design ist das Gehäuse, das den positiven Anschluss der Zelle bildet. Es besteht aus einer dünnen Schicht aus ferromagnetischem Material, die die eigentlichen Kontakte bildet.

Lade- / Entladespezifikationen und Arbeitsweise

Um vorzeitige Schäden an der Batterie zu vermeiden, empfehlen wir, den maximal zulässigen Ladestrom / die maximal zulässige Ladespannung anzuwenden, falls Sie die Angaben aus dem Datenblatt überprüfen müssen.

Unser kleines Experiment ergab, dass sich die Eigenschaften der Batterie geändert haben. Bei jedem Lade- / Entladezyklus wurde ein Kapazitätsabfall um 1 mAh (0,005%) der Mindestkapazität festgestellt.

Zuerst haben wir versucht, unser LiFePO aufzuladen₄Zelle bei vollen 1 C (2,3 A) und stellen Sie den Entladungswert auf 4 C (9,2 A) ein. Erstaunlicherweise gab es während der gesamten Ladesequenz keinen Anstieg der Zelltemperatur. Während des Entladens stieg die Temperatur jedoch von 21 ° C auf 31 ° C.

Der Entladungstest für 10 ° C (23 A) verlief gut mit einem aufgezeichneten Anstieg der Zelltemperatur von 49 ° C. Sobald die Zellenspannung auf 4 V (gemessen unter Last) gesunken war, lieferte die Batterie an jeder Zelle eine mittlere Entladespannung (Um) von 5,68 V oder 2,84 V. Die Energiedichte wurde mit 94 Wh / kg berechnet.

Im gleichen Größenbereich weist die Sony 26650VT-Zelle eine höhere mittlere Spannung von 3,24 V bei 10 ° C Entladung mit einer niedrigeren Energiedichte von 89 Wh / kg auf.

Dies ist niedriger als der LiFePO₄Zelldichte. Der Unterschied kann auf ein verringertes Zellgewicht zurückgeführt werden. Aber der LiFePO₄Zellen haben eine signifikant geringere Leistung als die LiPo-Zellen.

Letztere werden häufig auf Modellierungsschaltungen angewendet und haben eine mittlere Entladespannung von 3,5 V oder mehr bei 10 ° C. In Bezug auf die Energiedichte haben die LiPo-Zellen mit Bereichen zwischen 120 Wh / kg und 170 Wh / kg auch die Oberhand .

Bei unserer nächsten Prüfung haben wir den LiFePO vollständig aufgeladen₄Zellen bei 1 ° C und kühlte sie später auf -8 ° C ab. Die anschließende Entladung bei 10 ° C erfolgte bei Raumtemperatur von etwa 23 ° C.

Die Oberflächentemperatur der Zellen war danach auf 9 ° C gestiegen. Trotzdem muss die Innentemperatur der Zelle deutlich niedriger gewesen sein, obwohl eine direkte Messung nicht möglich war.

In Abbildung 2 sehen Sie die Klemmenspannung (rote Linie) der gekühlten Zellen, die zu Beginn getaucht wurden. Als die Temperatur anstieg, kehrte sie auf das gleiche Niveau zurück, als ob der Test mit den Zellen bei Umgebungstemperatur durchgeführt worden wäre.

Überraschenderweise ist der Unterschied in der Endtemperatur gering (47 ° C gegenüber 49 ° C). Dies liegt daran, dass der Innenwiderstand der Zellen von der Temperatur abhängt. Das heißt, wenn die Zellen kalt sind (niedrige Temperatur), wird wesentlich mehr Energie intern abgeführt.

Die nächste Untersuchung bezog sich auf den Entladestrom, der auf 15 ° C (34,5 A) anstieg. Die Zellen zeigten mehr als ihre Mindestkapazität, als die Temperatur von 23 ° C auf 53 ° C anstieg.

Testen der extremen Stromkapazität von LiFePO₄Zellen

Wir haben Ihnen in Abbildung 3 eine einfache Schaltungskonfiguration gezeigt. Wir haben eine Schaltung mit niedrigem Widerstand verwendet, um die Spitzenstrompegel zu messen.

Die Kombination von Widerständen einschließlich des 1-mΩ-Nebenschlusswiderstands, des eingebauten Widerstands der 100-A-Stromsenke und ihrer zugehörigen Komponenten (Kabelwiderstände und Kontaktwiderstände im MPX-Anschluss).

Der extrem niedrige Widerstand verhinderte, dass die Entladung einer einzelnen Ladung mehr als 65 A betrug.

Daher haben wir versucht, die Hochstrommessungen mit zwei Zellen in Reihe wie zuvor zu delegieren. Aus diesem Grund konnten wir die Spannung zwischen den Zellen mit einem Multimeter messen.

Die Stromsenke in diesem Experiment war möglicherweise aufgrund des Nennstroms der Zelle von 120 A überlastet. Durch Begrenzung des Umfangs unserer Bewertung haben wir die Temperaturerhöhungen bei 15 ° C Entladung überwacht.

Dies zeigte, dass es nicht angebracht ist, die Zellen auf einmal bei ihrer kontinuierlichen Entladungsrate von 30 ° C (70 A) zu testen.

Es gibt wesentliche Hinweise darauf, dass eine Zelloberflächentemperatur von 65 ° C während der Entladung die Obergrenze für die Sicherheit darstellt. Also haben wir den resultierenden Entlassungsplan erstellt.

Zunächst werden die Zellen bei 69 A (30 ° C) 16 Sekunden lang entladen. Anschließend folgten abwechselnd eine halbe Minute lang „Erholungsintervalle“ von 11,5 A (5 ° C).

Danach gab es 10-Sekunden-Impulse bei 69 A. Als schließlich entweder die minimale Entladespannung oder die maximal zulässige Temperatur erreicht wurde, wurde der Entladevorgang beendet. Abbildung 4 zeigt die erzielten Ergebnisse.

Während der hohen Lastintervalle fiel die Klemmenspannung schnell ab, was bedeutet, dass die Lithiumionen in den Zellen eine eingeschränkte und langsame Bewegung haben.

Trotzdem verbessert sich die Zelle während der Niedriglastintervalle schnell. Obwohl die Spannung beim Entladen der Zelle langsam abfällt, können Sie mit zunehmender Zelltemperatur erheblich weniger genaue Spannungsabfälle durch die höheren Lasten feststellen.

Dies bestätigt, wie die Temperatur vom Innenwiderstand der Zelle abhängt.

Wir haben einen Innenwiderstand gegen Gleichstrom von etwa 11 mΩ (Datenblatt zeigt 10 mΩ) aufgezeichnet, wenn die Zelle zur Hälfte entladen ist.

Als die Zelle vollständig entladen war, war die Temperatur auf 63 ° C gestiegen, was sie Sicherheitsrisiken aussetzt. Dies liegt daran, dass die Zellen nicht zusätzlich gekühlt werden. Daher haben wir aufgehört, mit längeren Hochlastimpulsen zu testen.

Die Batterie ergab in diesem Test eine Leistung von 2320 mAh, die größer als die Nennkapazität war.

Mit einer maximalen Differenz zwischen den Zellenspannungen bei 10 mV war die Übereinstimmung zwischen ihnen während des gesamten Tests hervorragend.

Die Entladung bei Volllast wurde gestoppt, als die Klemmenspannung 1 V pro Zelle erreichte.

Eine Minute später sahen wir eine Wiederherstellung der Leerlaufspannung von 2,74 V über jeder der Zellen.

Schnellladetest

Schnelle Ladetests wurden bei 4 ° C (9,2 A) ohne Einbau eines elektronischen Balancers durchgeführt, aber wir überprüften ständig die einzelnen Zellenspannungen.

Beim Benutzen Blei-Säure-Batterien können wir den anfänglichen Ladestrom nur aufgrund der maximalen und begrenzten Spannung einstellen, die vom Ladegerät geliefert wird.

Außerdem kann der Ladestrom erst eingestellt werden, nachdem die Zellenspannung bis zu einem Punkt angestiegen ist, an dem der Ladestrom zu sinken beginnt (Konstantstrom / Konstantspannungsladung).

In unserem Experiment mit LiFePO₄Dies geschieht nach 10 Minuten, wenn die Dauer durch den Effekt des Shunts im Messgerät verringert wird.

Wir wissen, dass die Zelle nach Ablauf von 20 Minuten zu 97% oder mehr ihrer Nennkapazität aufgeladen ist.

Darüber hinaus ist der Ladestrom in diesem Stadium auf 0,5 A gefallen. Infolgedessen wird ein 'voller' Zustand der Zellen von a gemeldet Schnellladegerät .

Während des Schnellladevorgangs bewegten sich die Zellenspannungen manchmal etwas voneinander, jedoch nicht über 20 mV hinaus.

Für den gesamten Prozess wurde der Ladevorgang jedoch gleichzeitig beendet.

Beim schnellen Laden erwärmen sich die Zellen ziemlich stark, wobei die Temperatur etwas hinter dem Ladestrom zurückbleibt.

Dies ist auf Verluste im Innenwiderstand der Zellen zurückzuführen.

Beachten Sie beim Aufladen des LiFePO unbedingt die Sicherheitsvorkehrungen₄und nicht über die empfohlene Ladespannung von 3,6 V hinaus.

Wir haben versucht, uns ein wenig vorbeizuschleichen und die Zellen mit einer Klemmenspannung von 7,8 V (3,9 V pro Zelle) zu „überladen“.

Es wird überhaupt nicht empfohlen, dies zu Hause zu wiederholen.

Es gab zwar kein seltsames Verhalten wie Rauchen oder Auslaufen und die Zellenspannungen waren ebenfalls nahezu gleich, aber das Gesamtergebnis schien nicht allzu vorteilhaft zu sein.

• Die 3 C-Entladung lieferte zusätzliche 100 mAh und die mittlere Entladungsspannung war relativ höher.
• Was wir damit sagen wollen, ist, dass eine Überladung einen kleinen Anstieg der Energiedichte von 103,6 Wh / kg auf 104,6 Wh / kg verursacht.
• Es lohnt sich jedoch nicht, die Risiken zu ertragen und möglicherweise die Lebensdauer der Zellen dauerhaft zu schädigen.

Batteriechemie und Bewertungen

Das Konzept der Anwendung von FePO₄Die Nanotechnologie soll zusammen mit einer Lithiumbatteriechemie die Oberfläche der Elektroden erhöhen, über die Reaktionen stattfinden können.

Der Raum für zukünftige Innovationen in der Graphitanode (negativer Anschluss) sieht trübe aus, aber in Bezug auf die Kathode gibt es erhebliche Fortschritte.

An der Kathode werden Verbindungen (typischerweise Oxide) von Übergangsmetallen zur Ioneneinfangung verwendet. Metalle wie Mangan, Kobalt und Nickel, die von Kathoden verwendet werden, wurden in Massenproduktion hergestellt.

Darüber hinaus hat jeder von ihnen seine jeweiligen Vor- und Nachteile. Der Hersteller entschied sich für Eisen, insbesondere Eisenphosphat (FePO4), bei dem er ein Kathodenmaterial entdeckte, das selbst bei niedrigeren Spannungen funktionsfähig genug ist, um eine extreme Batteriekapazität auszuhalten.

In erster Linie sind Li-Ion-Batterien nur in einem winzigen Spannungsbereich von 2,3 V bis 4,3 V chemisch stabil. An beiden Enden dieses Bereichs ist eine gewisse Schlichtung für die Lebensdauer erforderlich. In der Praxis wird eine Obergrenze von 4,2 V als akzeptabel angesehen, während 4,1 V für eine längere Lebensdauer empfohlen werden.

Herkömmliche Lithiumbatterien, die aus mehrere Zellen in Reihe geschaltet Bleiben Sie innerhalb der Spannungsgrenzen durch elektronische Add-Ons wie Balancer , Equalizer oder präzise Spannungsbegrenzer.

Die Komplexität dieser Schaltungen nimmt mit zunehmenden Ladeströmen zu, was zu zusätzlichen Leistungsverlusten führt. Für Benutzer sind diese Ladegeräte nicht zu bevorzugen, da sie lieber Zellen bevorzugen, die eine tiefe Entladung aushalten können.

Darüber hinaus möchten Benutzer auch einen weiten Temperaturbereich und die Möglichkeit des Schnellladens. All dies bringt die Nanotechnologie FePO₄basiertes LiFePO₄Zellen werden zu den Favoriten bei der Innovation von Li-Ion-Batterien.

Vorläufige Schlussfolgerungen

Aufgrund ihrer aufwändig flachen Entladungsspannungskurven, die die Ausführung von industriellen Hochstromanwendungen verankern, ist der LiFePO₄oder der FePO₄-Kathoden-Li-Ionen-Zellen sind sehr wünschenswert.

Sie haben nicht nur eine wesentlich höhere Energiedichte als herkömmliche Li-Ionen-Zellen, sondern auch eine außerordentlich hohe Leistungsdichte.

Die Kombination aus geringem Innenwiderstand und geringem Gewicht ist ein gutes Zeichen für die Ersatzzellen in Abhängigkeit von Nickel oder Blei bei Hochleistungsanwendungen.

Typischerweise können Zellen eine kontinuierliche Entladung bei 30 ° C nicht ertragen, ohne dass ein gefährlicher Temperaturanstieg auftritt. Dies ist nachteilig, da Sie nicht möchten, dass sich eine 2,3-Ah-Zelle in nur zwei Minuten bei 70 A entlädt. Bei dieser Art von Anwendungen erhält der Benutzer umfassendere Optionen als bei herkömmlichen Lithiumzellen.

Auf der anderen Seite besteht ein kontinuierlicher Bedarf an schnellerem Laden, insbesondere wenn die Ladedauer drastisch verkürzt werden kann. Wahrscheinlich ist dies einer der Gründe, warum LiFePO₄Zellen sind in professionellen Hammerbohrern mit 36 ​​V (Zellen der Serie 10) erhältlich.

Lithiumzellen werden am besten in hybriden und umweltfreundlichen Automobilen eingesetzt. Mit nur vier FePO₄Zellen (13,2 V) in einem Batteriepack ergeben 70% weniger Gewicht als eine Blei-Säure-Batterie. Ein verbesserter Produktlebenszyklus und eine deutlich höhere Energie zusätzlich zu den Leistungsdichten haben die Entwicklung von unterstützt Hybridfahrzeug Technologie weitgehend in emissionsfreien Fahrzeugen.