Tot i que les bateries d’electròlit de polímer de liti i ió de liti (LiPo) tenen una densitat d’energia inigualable, les bateries basades en liti són costoses de produir i necessiten una manipulació meticulosa juntament amb una càrrega prudent.
Amb l'avanç de la nanotecnologia, el procés de fabricació de l'elèctrode de càtode per a aquestes bateries ha experimentat una millora substancial.
El trencament del LiFePO d'alta càrrega basat en nanotecnologies4les cèl·lules són més avançades que les cèl·lules Li-ion o Lipo tradicionals.
Aprenem més:
Què és LiFePO4Pila
La bateria de fosfat de liti-ferro (LiFePO4bateria) o bateria LFP (ferrofosfat de liti), és una forma de bateria de ions de liti que empra LiFePO4com a material del càtode (dins de les bateries aquest càtode constitueix l’elèctrode positiu) i un elèctrode de carboni de grafit que té un suport metàl·lic que forma l’ànode.
La densitat d'energia de LiFePO4és més petit en comparació amb la química convencional de l’òxid de liti cobalt (LiCoO 2), a més de tenir una tensió de treball menor.
L’inconvenient més crucial de LiFePO4és la seva conductivitat elèctrica reduïda. Com a resultat, cadascun dels LiFePO4els càtodes en compte són en realitat LiFePO4/ C.
A causa de costos més econòmics, mínima toxicitat, rendiment especificat amb precisió, gran estabilitat, etc. LiFePO4s’ha popularitzat en nombre d’aplicacions basades en vehicles, aplicacions fixes a escala de serveis públics i també en aplicacions de convertidors i inversors.
Avantatges de LiFePO4Pila
Les cèl·lules nano-fosfat prenen els avantatges de les cèl·lules de liti tradicionals i les fusionen amb els avantatges dels compostos a base de níquel. Tot això passa sense experimentar els desavantatges de cap de les parts.
Aquests ideals Bateries NiCd té diversos avantatges com:
- Seguretat: no són inflamables, de manera que no cal un circuit de protecció.
- Robustes: les bateries tenen una vida útil elevada i un mètode de càrrega estàndard.
- Alta tolerància a càrregues pesades i càrrega ràpida.
- Tenen una tensió de descàrrega constant (una corba de descàrrega plana).
- Alta tensió cel·lular i baixa autodescàrrega
- Potència superior i densitat d'energia compacta
Diferència entre LiFePO4i bateria Li-Ion
Convencional Li-ion cells estan equipats amb un voltatge mínim de 3,6 V i un voltatge de càrrega de 4,1 V. Hi ha una diferència de 0,1 V en ambdues tensions amb diversos fabricants. Aquesta és la principal diferència.
Les cèl·lules nano-fosfat tenen un voltatge nominal de 3,3 V i una tensió de càrrega suprimida de 3,6 V. La capacitat normal de 2,3 Ah és bastant comuna quan s’enfronta a la capacitat de 2,5 o 2,6 Ah que ofereixen les cèl·lules Li-Ion estàndard.
La diferència més destacada es troba en el pes. La cèl·lula nanofosfat només pesa 70 g, mentre que la seva cèl·lula Sony o Panasonic Li-Ion té un pes de 88 g i 93 g respectivament.
El motiu principal d’això es mostra a la figura 1, on la carcassa de la cèl·lula nanofosfat avançada és d’alumini i no de xapa d’acer.
A més, això té un altre avantatge respecte a les cèl·lules convencionals, ja que l’alumini és millor per millorar la conducció de calor de la cèl·lula.
Un disseny més innovador és la carcassa que forma el terminal positiu de la cèl·lula. Està construït amb una fina capa de material ferromagnètic que forma els contactes reals.
Especificacions de càrrega / descàrrega i funcionament
Per evitar danys prematurs a la bateria, es recomana aplicar el corrent / voltatge de càrrega màxim permès, en cas que hagueu de verificar les especificacions del full de dades.
El nostre petit experiment va revelar que les propietats de la bateria van canviar. A cada cicle de càrrega / descàrrega, vam registrar un descens de la capacitat al voltant de 1 mAh (0,005%) de la capacitat mínima.
Al principi, vam intentar carregar el nostre LiFePO4cèl·lula a 1 C completa (2,3 A) i configureu el valor de descàrrega a 4 C (9,2A). Sorprenentment, durant tota la seqüència de càrrega, no hi va haver cap augment de la temperatura de la cèl·lula. No obstant això, durant la descàrrega, la temperatura va augmentar de 21 ° C a 31 ° C.
La prova de descàrrega de 10 C (23 A) va funcionar bé amb un augment registrat de la temperatura cel·lular de 49 ° C. Un cop reduïda la tensió de la cel·la a 4 V (mesurada sota càrrega), la bateria proporcionava una tensió mitjana de descàrrega (Um) de 5,68 V o 2,84 V a cada cel·la. La densitat d'energia es va calcular en 94 Wh / kg.
Al mateix rang de mides, la cèl·lula Sony 26650VT presenta un voltatge mitjà més alt de 3,24 V a una descàrrega de 10 C amb una densitat d’energia menor de 89 Wh / kg.
Això és inferior al LiFePO4densitat cel·lular. La diferència es pot atribuir a la disminució del pes cel·lular. Però, el LiFePO4les cèl·lules tenen un rendiment significativament inferior al de les cèl·lules LiPo.
Aquest darrer s’aplica freqüentment als circuits de modelatge i tenen una tensió de descàrrega mitjana de 3,5 V o més a 10 C. En termes de densitat d’energia, les cèl·lules LiPo també tenen el domini amb rangs entre 120 Wh / kg i 170 Wh / kg .
En el nostre proper examen, vam carregar completament el LiFePO4cèl·lules a 1 C i les van refredar més tard a -8 ° C. La descàrrega següent a 10 ° C es va produir a una temperatura ambient que ronda els 23 ° C.
La temperatura superficial de les cèl·lules havia augmentat fins a 9 ° C després. Tot i així, la temperatura interna de la cèl·lula devia ser significativament inferior, tot i que no va ser possible la seva mesura directa.
A la figura 2, podeu veure la tensió terminal (línia vermella) de les cèl·lules refrigerades que es va submergir al principi. A mesura que la temperatura augmentava, tornava al mateix nivell que si la prova es fes amb les cèl·lules a temperatura ambient.
Sorprenentment, la diferència de temperatura final és baixa (47 ° C contra 49 ° C). Això es deu al fet que la resistència interna de les cèl·lules depèn de la temperatura. Això significa que quan les cèl·lules estan fredes (baixa temperatura), es dissipa substancialment més potència interna.
El següent examen es va relacionar amb el corrent de descàrrega on va augmentar a 15 C (34,5 A), les cèl·lules presentaven més de la seva capacitat mínima ja que la temperatura va augmentar a 53 ° C des de 23 ° C.
Prova de la capacitat de corrent extrema de LiFePO4Cèl · lules
Us hem mostrat una configuració senzilla del circuit a la figura 3. Hem utilitzat un circuit de baixa resistència per mesurar els nivells de corrent pic.
La combinació de resistències, inclosa la resistència de derivació d’1 mΩ, la resistència incorporada del dissipador de corrent de 100 A i els seus associats (resistències de cable i resistències de contacte al connector MPX).
L’extrema baixa resistència va evitar que la descàrrega d’una sola càrrega superés els 65 A.
Per tant, hem intentat delegar les mesures de corrent elevat utilitzant dues cel·les en sèrie com abans. Degut a això, podríem mesurar el voltatge entre les cel·les mitjançant un multímetre.
És possible que l’enfonsament actual d’aquest experiment s’hagi sobrecarregat a causa del corrent nominal de la cèl·lula de 120 A. Al limitar l’extensió de la nostra avaluació, vam controlar la temperatura elevada a la descàrrega de 15 C.
Això va demostrar que no és adequat provar les cèl·lules alhora a la seva taxa de descàrrega contínua nominal de 30 C (70 A).
Hi ha proves substancials que una temperatura superficial de la cèl·lula de 65 ° C durant la descàrrega és el límit superior per a la seguretat. Per tant, hem construït el calendari de descàrrega resultant.
En primer lloc, a 69 A (30 C) les cèl·lules es descarreguen durant 16 segons. Després, es va seguir alternant intervals de ‘recuperació’ d’11,5 A (5 C) durant mig minut.
Després d'això, hi va haver polsos de 10 segons a 69 A. Finalment, quan es va aconseguir la tensió de descàrrega mínima o la temperatura màxima permesa, es va finalitzar la descàrrega. La figura 4 mostra els resultats obtinguts.
Al llarg dels intervals de càrrega elevats, la tensió del terminal va baixar ràpidament, cosa que representa que els ions de liti dins de les cèl·lules tenen un moviment restringit i lent.
Tot i això, la cèl·lula millora ràpidament durant els intervals de baixa càrrega. Tot i que el voltatge baixa lentament a mesura que es descarrega la cèl·lula, és possible que es produeixi una caiguda de tensió considerablement menys precisa per les càrregues més altes, a mesura que augmenta la temperatura de la cèl·lula.
Això valida com la temperatura depèn de la resistència interna de la cèl·lula.
Vam registrar una resistència interna a CC d’uns 11 mΩ (el full de dades presenta 10 mΩ) quan la cel·la està mig descarregada.
Quan la cèl·lula es va descarregar completament, la temperatura havia augmentat a 63 ° C, cosa que l’exposa a riscos de seguretat. Això es deu al fet que no hi ha refrigeració addicional per a les cèl·lules, de manera que hem deixat de procedir a la prova amb polsos de càrrega elevada més llargs.
La bateria va donar una potència de 2320 mAh en aquesta prova que va ser superior a la capacitat nominal.
Amb una diferència màxima entre els voltatges de les cel·les a 10 mV, la coincidència entre ells va ser excel·lent durant tota la prova.
La descàrrega a plena càrrega es va aturar quan la tensió del terminal va assolir 1 V per cel·la.
Un minut després, vam veure una recuperació del voltatge de circuit obert de 2,74 V sobre cadascuna de les cel·les.
Prova de càrrega ràpida
Es van realitzar proves de càrrega ràpida a 4 C (9,2 A) sense incorporar un equilibrador electrònic, però vam comprovar constantment les tensions de les cel·les individuals.
Quan s’utilitza bateries de plom-àcid , només podem configurar el corrent de càrrega inicial a causa del voltatge màxim i limitat subministrat pel carregador.
A més, el corrent de càrrega només es pot configurar després que la tensió de la cel·la hagi augmentat fins a un punt en què el corrent de càrrega comenci a reduir-se (corrent constant / càrrega de voltatge constant).
En el nostre experiment amb LiFePO4, això passa al cap de 10 minuts on la durada es redueix per l'efecte de la derivació al comptador.
Sabem que la cèl·lula es carrega al 97% o més de la seva capacitat nominal després de 20 minuts.
A més, el corrent de càrrega en aquesta etapa ha baixat a 0,5 A. Com a resultat, un estat 'complet' de les cel·les serà informat per un carregador ràpid .
Durant tot el procés de càrrega ràpida, les tensions de les cel·les de vegades es van moure una mica les unes de les altres, però no més enllà dels 20 mV.
Però, en general, les cèl·lules van acabar de carregar-se al mateix temps.
Quan experimenten una càrrega ràpida, les cèl·lules tendeixen a escalfar-se una mica, amb la temperatura una mica retardada en el corrent de càrrega.
Això es pot atribuir a pèrdues en la resistència interna de les cèl·lules.
És fonamental seguir les precaucions de seguretat quan es carrega el LiFePO4i no més enllà del voltatge de càrrega suggerit de 3,6 V.
Vam intentar passar una mica per davant i vam intentar ‘sobrecarregar’ les cel·les amb una tensió terminal de 7,8 V (3,9 V per cel·la).
No és gens recomanable repetir això a casa.
Tot i que no hi va haver un comportament estrany com fumar o filtrar-se i que les tensions de les cel·les també eren gairebé iguals, però el resultat general no semblava ser massa beneficiós.
- La descàrrega de 3 C va subministrar 100 mAh addicionals i la tensió mitjana de descàrrega va ser relativament superior.
- El que volem dir és que la sobrecàrrega provoca un petit augment de la densitat d’energia de 103,6 Wh / kg a 104,6 Wh / kg.
- Tot i això, no val la pena suportar els riscos i possiblement sotmetre la vida de les cèl·lules a danys permanents.
Química de les bateries i avaluacions
El concepte d’aplicar FePO4la nanotecnologia juntament amb una bateria de liti química és elevar la superfície dels elèctrodes sobre la qual poden tenir lloc les reaccions.
Hi ha espai per a la innovació futura en l’ànode de grafit (terminal negatiu) sembla tèrbol, però pel que fa al càtode, hi ha un progrés substancial.
Al càtode s'utilitzen compostos (típicament òxids) dels metalls de transició per a la captura d'ions. Metalls com el manganès, el cobalt i el níquel que fan servir els càtodes han estat en producció massiva.
A més, cadascun d’ells té els seus pros i contres respectius. El fabricant va optar pel ferro, especialment el fosfat de ferro (FePO4), en el qual van descobrir un material de càtode que fins i tot a tensions més baixes és prou funcional per suportar una capacitat de bateria extrema.
Principalment, les bateries de ions de lió només són químicament estables dins d’un petit rang de voltatge de 2,3 V a 4,3 V. Als dos extrems d’aquest rang són necessàries certes conciliacions per als terminis de vida útil. Pràcticament, es considera acceptable un límit superior de 4,2 V, mentre que es recomana una durada de vida de 4,1 V.
Bateries de liti convencionals compostes per diverses cel·les connectades en sèrie romandre dins dels límits de tensió mitjançant complements electrònics com equilibristes , equalitzadors o limitadors de tensió precisos.
La complexitat d’aquests circuits augmenta a mesura que augmenten els corrents de càrrega, resultant en pèrdues de potència addicionals. Per als usuaris, aquests dispositius de càrrega no són massa preferibles, ja que prefereixen les cel·les que puguin suportar una descàrrega profunda.
A més, als usuaris també els agradaria un ampli rang de temperatura i la possibilitat de carregar ràpidament. Tot això posa la nano-tecnologia FePO4basat en LiFePO4les cèl·lules es converteixen en les preferides en la innovació de les bateries de ions de Li.
Conclusions preliminars
A causa de les seves corbes de tensió de descàrrega elaboradament planes que ancoren l'execució d'aplicacions industrials d'alt corrent, el LiFePO4o el FePO4són molt desitjables les cèl·lules d’ió Li-catòdic.
No només tenen una densitat d’energia substancialment més gran que les cèl·lules de ions de Li convencionals, sinó que també tenen una densitat d’energia extremadament alta.
La combinació de baixa resistència interna i baix pes augura bé les cèl·lules de recanvi en funció del níquel o el plom en aplicacions d’alta potència.
Normalment, les cèl·lules no poden suportar una descàrrega contínua a 30 ° C sense experimentar un augment perillós de la temperatura. Això és desavantatge perquè no voldríeu que una cèl·lula de 2,3 Ah es descarregui a 70 A en només dos minuts. En aquest tipus d'aplicacions, l'usuari té opcions més àmplies que les cèl·lules de liti tradicionals.
D’altra banda, hi ha una demanda contínua de càrrega més ràpida, sobretot si es pot reduir dràsticament la durada de la càrrega. Probablement aquest és un dels motius pels quals LiFePO4cells està disponible en trepants de martell professionals de 36 V (cèl·lules de la sèrie 10).
Les cèl·lules de liti s’utilitzen millor en automòbils híbrids i respectuosos amb el medi ambient. Utilitzant només quatre FePO4les cèl·lules (13,2 V) d’un paquet de bateries produeixen un 70% menys de pes que les bateries de plom-àcid. La millora del cicle de vida del producte i l'energia significativament més alta a la part superior de les densitats de potència han donat suport al desenvolupament de vehicle híbrid tecnologia en gran part en vehicles de zero emissions.
Anterior: Circuit de controlador de làmpada LED de sostre Següent: Com fer una cèl·lula solar sensible als tints o cèl·lula solar a partir de te de fruites
