مواصفات شحن / تفريغ بطارية LiFePO4 ، شرح المزايا

بينما تمتلك بطاريات Li-Ion و Lithium polymer electrolyte (LiPo) كثافة طاقة لا مثيل لها ، فإن البطاريات التي تعتمد على الليثيوم مكلفة في الإنتاج وتحتاج إلى معالجة دقيقة إلى جانب الشحن الحذر.

مع تقدم تكنولوجيا النانو ، شهدت عملية تصنيع قطب الكاثود لهذه البطاريات تحسنًا كبيرًا.

اختراق LiFePO عالي التحميل القائم على تكنولوجيا النانو₄الخلايا أكثر تقدمًا من خلايا Li-ion التقليدية أو خلايا Lipo.

دعنا نتعلم المزيد:

ما هو LiFePO₄بطارية

بطارية فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄بطارية) أو بطارية LFP (ليثيوم فيروفسفات) ، هي شكل من أشكال بطارية ليثيوم أيون التي توظف LiFePO₄كمادة الكاثود (داخل البطاريات ، يشكل هذا الكاثود القطب الموجب) ، وقطب كربون جرافيت له دعامة معدنية تشكل الأنود.

كثافة الطاقة في LiFePO₄أصغر مقارنةً بكيمياء أكسيد الكوبالت الليثيوم التقليدية (LiCoO 2) ، فضلاً عن أنها تتميز بجهد عمل أصغر.

الجانب السلبي الأكثر أهمية في LiFePO₄هو انخفاض الموصلية الكهربائية. نتيجة لذلك ، كل واحد من LiFePO₄الكاثودات في الاعتبار هي في الواقع LiFePO₄/ ج.

بسبب التكاليف الرخيصة ، الحد الأدنى من السمية ، الأداء المحدد بدقة ، الثبات الشامل ، إلخ. LiFePO₄أصبحت شائعة في عدد التطبيقات القائمة على المركبات ، والتطبيقات الثابتة على نطاق المرافق ، وأيضًا في تطبيقات المحول العاكس.

مزايا LiFePO₄بطارية

تأخذ خلايا الفوسفات النانوية مزايا خلايا الليثيوم التقليدية وتدمجها مع مزايا المركبات القائمة على النيكل. كل هذا يحدث دون تجربة عيوب أي من الجانبين.

هذه مثالية بطاريات NiCd لديها العديد من الامتيازات مثل:

• السلامة - إنها غير قابلة للاشتعال لذا ليست هناك حاجة لدائرة حماية.
• متينة - تتمتع البطاريات بدورة حياة عالية وطريقة شحن قياسية.
• تحمل عالي للأحمال الثقيلة والشحن السريع.
• لديهم جهد تفريغ ثابت (منحنى تفريغ مسطح).
• الجهد العالي للخلية والتفريغ الذاتي المنخفض
• قوة متفوقة وكثافة طاقة مدمجة

الفرق بين LYFEPO₄وبطارية ليثيوم أيون

عادي خلايا Li-ion مزودة بجهد أدنى 3.6 فولت وبجهد شحن 4.1 فولت.يوجد فرق 0.1 فولت في كلا الفولتية مع العديد من الشركات المصنعة. هذا هو الاختلاف الرئيسي.

تتمتع خلايا الفوسفات النانوية بجهد اسمي يبلغ 3.3 فولت وبجهد مشحون مكبوت قدره 3.6 فولت ، وتكون السعة العادية البالغة 2.3 آه شائعة جدًا عند وضعها مقابل سعة 2.5 أو 2.6 أمبير في الساعة التي توفرها خلايا Li-Ion القياسية.

الاختلاف الأبرز في الوزن. تزن خلية الفوسفات النانوية 70 جم فقط ، بينما تزن نظيرتها ، خلية Sony أو Panasonic Li-Ion 88 جم و 93 جم على التوالي.

يظهر السبب الرئيسي لذلك في الشكل 1 حيث يتكون غلاف خلية نانو فوسفات المتقدمة من الألومنيوم وليس من صفائح الفولاذ.

بالإضافة إلى ذلك ، يحمل هذا ميزة أخرى على الخلايا التقليدية لأن الألومنيوم أفضل في تحسين توصيل الحرارة من الخلية.

أحد التصميمات المبتكرة هو الغلاف الذي يشكل الطرف الموجب للخلية. إنه مبني بطبقة رقيقة من المواد المغناطيسية التي تشكل جهات الاتصال الحقيقية.

مواصفات الشحن / التفريغ والعمل

لمنع التلف المبكر للبطارية ، نوصي بتطبيق الحد الأقصى المسموح به لتيار الشحن / الجهد ، في حالة احتياجك للتحقق من المواصفات من ورقة البيانات.

كشفت تجربتنا الصغيرة أن خصائص البطارية قد تغيرت. في كل دورة شحن / تفريغ ، سجلنا انخفاضًا في السعة حوالي 1 مللي أمبير (0.005٪) من الحد الأدنى للسعة.

في البداية ، حاولنا شحن LiFePO الخاص بنا₄الخلية عند 1 درجة مئوية (2.3 أ) بالكامل وقم بتعيين قيمة التفريغ عند 4 درجة مئوية (9.2 أمبير). بشكل مذهل ، طوال تسلسل الشحن ، لم تكن هناك زيادة في درجة حرارة الخلية. ومع ذلك ، أثناء التفريغ ، ارتفعت درجة الحرارة من 21 درجة مئوية إلى 31 درجة مئوية.

سار اختبار التفريغ لـ 10 درجة مئوية (23 أ) بشكل جيد مع ارتفاع درجة حرارة الخلية المسجل عند 49 درجة مئوية. بمجرد انخفاض جهد الخلية إلى 4 فولت (تم قياسه تحت الحمل) ، قدمت البطارية جهد تفريغ متوسط ​​(أم) يبلغ 5.68 فولت أو 2.84 فولت في كل خلية. تم حساب كثافة الطاقة لتكون 94 واط / كجم.

في نفس نطاق الحجم ، تقدم خلية Sony 26650VT متوسط ​​جهد أعلى يبلغ 3.24 فولت عند تفريغ 10 درجة مئوية مع كثافة طاقة أقل تبلغ 89 واط / كجم.

هذا أقل من LiFePO₄كثافة الخلية. يمكن أن يعزى الاختلاف إلى انخفاض وزن الخلية. لكن LiFePO₄تتمتع الخلايا بأداء أقل بكثير من خلايا LiPo.

يتم تطبيق الأخير بشكل متكرر على دوائر النمذجة ولديها جهد تفريغ متوسط ​​يبلغ 3.5 فولت أو أكثر عند 10 درجة مئوية. من حيث كثافة الطاقة ، تمتلك خلايا LiPo اليد العليا أيضًا بنطاقات تتراوح بين 120 Wh / kg و 170 Wh / kg .

في الفحص التالي ، قمنا بشحن LiFePO بالكامل₄الخلايا عند 1 درجة مئوية وتبريدها لاحقًا إلى -8 درجة مئوية. حدث التفريغ الناتج عند 10 درجة مئوية عند درجة حرارة الغرفة التي تبلغ حوالي 23 درجة مئوية.

ارتفعت درجة حرارة سطح الخلايا إلى 9 درجات مئوية بعد ذلك. ومع ذلك ، يجب أن تكون درجة الحرارة الداخلية للخلية أقل بكثير على الرغم من أن قياسها المباشر لم يكن ممكنًا.

في الشكل 2 ، يمكنك رؤية الجهد الطرفي (الخط الأحمر) للخلايا المبردة مغموسة في البداية. مع ارتفاع درجة الحرارة ، عادت إلى نفس المستوى كما لو تم إجراء الاختبار مع الخلايا في درجة حرارة الغرفة.

والمثير للدهشة أن الفرق في درجة الحرارة النهائية منخفض (47 درجة مئوية مقابل 49 درجة مئوية). وذلك لأن المقاومة الداخلية للخلايا تعتمد على درجة الحرارة. هذا يعني أنه عندما تكون الخلايا باردة (درجة حرارة منخفضة) ، يتم تبديد قدر أكبر من الطاقة داخليًا.

كان الفحص التالي مرتبطًا بتيار التفريغ حيث زاد إلى 15 درجة مئوية (34.5 أ) ، قدمت الخلايا أكثر من الحد الأدنى من سعتها مع ارتفاع درجة الحرارة إلى 53 درجة مئوية من 23 درجة مئوية.

اختبار القدرة القصوى الحالية من LiFePO₄الخلايا

لقد أظهرنا لك تكوينًا بسيطًا للدائرة في الشكل 3. استخدمنا دائرة مقاومة منخفضة لقياس مستويات الذروة الحالية.

مزيج من المقاومات بما في ذلك المقاوم التحويلة 1 متر مكعب ، والمقاومة المضمنة لمغسلة التيار 100 أمبير وشركائه (مقاومة الكابلات ومقاومة التلامس في موصل MPX).

حالت المقاومة المنخفضة للغاية دون تفريغ شحنة واحدة لأكثر من 65 أ.

لذلك ، حاولنا تفويض قياسات التيار العالي باستخدام خليتين في سلسلة كما كان من قبل. نتيجة لذلك ، يمكننا قياس الجهد بين الخلايا باستخدام مقياس متعدد.

قد يكون الحوض الحالي في هذه التجربة مثقلًا بشكل زائد بسبب التيار المقدر للخلية البالغ 120 ألفًا. من خلال الحد من مدى تقييمنا ، قمنا بمراقبة ارتفاع درجة الحرارة عند تفريغ 15 درجة مئوية.

أظهر هذا أنه ليس من المناسب اختبار الخلايا كلها مرة واحدة بمعدل تفريغ مستمر مقداره 30 درجة مئوية (70 أ).

هناك دليل قوي على أن درجة حرارة سطح الخلية البالغة 65 درجة مئوية أثناء التفريغ هي الحد الأعلى للسلامة. لذلك ، قمنا ببناء جدول التفريغ الناتج.

أولاً ، عند 69 أ (30 درجة مئوية) ، يتم تفريغ الخلايا لمدة 16 ثانية. ثم تبع ذلك تناوب فترات 'الاسترداد' 11.5 أمبير (5 درجة مئوية) لمدة نصف دقيقة.

بعد ذلك ، كانت هناك نبضات مدتها 10 ثوانٍ عند 69 درجة مئوية. وأخيرًا ، عندما تم تحقيق الحد الأدنى من جهد التفريغ أو درجة الحرارة القصوى المسموح بها ، تم إنهاء عملية التفريغ. الشكل 4 يصور النتائج التي تم الحصول عليها.

خلال فترات الحمل العالية ، انخفض الجهد الطرفي بسرعة ، مما يشير إلى أن أيونات الليثيوم داخل الخلايا تقيد الحركة وتتباطأ.

ومع ذلك ، تتحسن الخلية بسرعة خلال فترات الحمل المنخفض. على الرغم من انخفاض الجهد ببطء مع تفريغ الخلية ، فقد تجد انخفاضًا أقل دقة في الجهد بسبب الأحمال العالية ، حيث تزداد درجة حرارة الخلية.

هذا يتحقق من كيفية اعتماد درجة الحرارة على المقاومة الداخلية للخلية.

لقد سجلنا مقاومة داخلية للتيار المستمر بحوالي 11 متر مكعب (تعرض ورقة البيانات 10 متر مكعب) عندما تكون الخلية نصف فارغة.

عندما تم تفريغ الخلية بالكامل ، ارتفعت درجة الحرارة إلى 63 درجة مئوية ، مما يعرضها لمخاطر السلامة. هذا بسبب عدم وجود تبريد إضافي للخلايا ، وبالتالي توقفنا عن المضي قدمًا في الاختبار بنبضات ذات حمولة عالية أطول.

أعطت البطارية ناتجًا قدره 2320 مللي أمبير في هذا الاختبار وهو أكبر من السعة الاسمية.

مع وجود أقصى فرق بين الفولتية الخلوية عند 10 مللي فولت ، كانت المطابقة بينهما رائعة طوال الاختبار.

توقف التفريغ عند التحميل الكامل عندما حقق الجهد الطرفي 1 فولت لكل خلية.

بعد دقيقة ، رأينا انتعاشًا قدره 2.74 فولت في جهد الدائرة المفتوحة فوق كل خلية.

اختبار الشحن السريع

تم إجراء اختبارات الشحن السريع عند 4 درجات مئوية (9.2 أمبير) بدون استخدام موازن إلكتروني ولكننا قمنا بفحص الفولتية الفردية للخلية باستمرار.

عند استخدام بطاريات الرصاص الحمضية ، يمكننا فقط ضبط تيار الشحن الأولي بسبب الجهد الأقصى والمحدود الذي يوفره الشاحن.

أيضًا ، لا يمكن ضبط تيار الشحن إلا بعد ارتفاع جهد الخلية إلى نقطة يبدأ فيها تيار الشحن في الانخفاض (شحن تيار ثابت / جهد ثابت).

في تجربتنا مع LiFePO₄، يحدث هذا بعد 10 دقائق حيث تقل المدة بتأثير التحويل في العداد.

نعلم أن الخلية مشحونة بنسبة 97٪ أو أكثر من سعتها الاسمية بعد انقضاء 20 دقيقة.

علاوة على ذلك ، انخفض تيار الشحن في هذه المرحلة إلى 0.5 أ. ونتيجة لذلك ، سيتم الإبلاغ عن حالة 'كاملة' للخلايا بواسطة شاحن سريع .

خلال عملية الشحن السريع ، كانت الفولتية الخلوية تتحرك أحيانًا قليلاً من بعضها البعض ، ولكن ليس أكثر من 20 مللي فولت.

ولكن بالنسبة للعملية بشكل عام ، انتهت الخلايا من الشحن في نفس الوقت.

عند تجربة الشحن السريع ، تميل الخلايا إلى الاحماء قليلاً ، حيث تتخلف درجة الحرارة إلى حد ما عن تيار الشحن.

يمكن أن يعزى ذلك إلى الخسائر في المقاومة الداخلية للخلايا.

من الضروري اتباع احتياطات السلامة عند شحن LiFePO₄ولا يتجاوز جهد الشحن المقترح 3.6 فولت.

حاولنا التسلل قليلاً وحاولنا 'زيادة شحن' الخلايا بجهد طرفي 7.8 فولت (3.9 فولت لكل خلية).

لا ينصح بتكرار ذلك في المنزل على الإطلاق.

على الرغم من عدم وجود سلوك غريب مثل التدخين أو التسريب ، كما أن الفولتية الخلوية كانت متساوية تقريبًا ، إلا أن النتيجة الإجمالية لا تبدو مفيدة للغاية.

• زود تفريغ 3 C 100 مللي أمبير إضافية وكان متوسط ​​جهد التفريغ أعلى نسبيًا.
• ما نقصده هو أن الشحن الزائد يؤدي إلى ارتفاع طفيف في كثافة الطاقة من 103.6 واط / كجم إلى 104.6 واط / كجم.
• ومع ذلك ، لا يستحق تحمل المخاطر وربما تعريض حياة الخلايا لأضرار دائمة.

كيمياء البطارية والتقييمات

مفهوم تطبيق FePO₄تعمل تقنية النانو جنبًا إلى جنب مع كيمياء بطارية الليثيوم على رفع مساحة سطح الأقطاب الكهربائية التي يمكن أن تحدث التفاعلات عليها.

هناك مساحة للابتكار المستقبلي في أنود الجرافيت (الطرف السالب) يبدو غائمًا ، ولكن فيما يتعلق بالكاثود ، هناك تقدم كبير.

في مركبات الكاثود (عادة أكاسيد) من المعادن الانتقالية تستخدم لالتقاط الأيونات. كانت المعادن مثل المنغنيز والكوبالت والنيكل التي تستخدمها الكاثودات في الإنتاج الضخم.

علاوة على ذلك ، كل منهم له إيجابياته وسلبياته. اختارت الشركة المصنعة الحديد ، وخاصة فوسفات الحديد (FePO4) حيث اكتشفوا مادة الكاثود التي تعمل حتى عند الفولتية المنخفضة بشكل كافٍ لتحمل سعة البطارية القصوى.

في المقام الأول ، تكون بطاريات Li-Ion مستقرة كيميائيًا فقط ضمن نطاق جهد صغير من 2.3 فولت إلى 4.3 فولت. في كلا طرفي هذا النطاق ، يلزم وجود توافق معين لشروط الخدمة. من الناحية العملية ، يعتبر الحد الأعلى البالغ 4.2 فولت مقبولًا بينما يوصى باستخدام 4.1 فولت للعمر الطويل.

بطاريات الليثيوم التقليدية التي تتكون من عدة خلايا متصلة في سلسلة البقاء ضمن حدود الجهد من خلال الوظائف الإضافية الإلكترونية مثل الموازن أو المعادلات أو محددات الجهد الدقيقة.

يزداد تعقيد هذه الدوائر مع زيادة تيارات الشحن مما يؤدي إلى فقد طاقة إضافي. بالنسبة إلى المستخدمين ، فإن أجهزة الشحن هذه ليست مفضلة جدًا لأنهم يفضلون الخلايا التي يمكنها تحمل تفريغ عميق.

علاوة على ذلك ، يرغب المستخدمون أيضًا في نطاق واسع لدرجة الحرارة وإمكانية الشحن السريع. كل هذه وضعت تكنولوجيا النانو FePO₄LiFePO مقرها₄أصبحت الخلايا هي المفضلة في ابتكار بطاريات Li-Ion.

الاستنتاجات الأولية

نظرًا لمنحنيات جهد التفريغ المسطحة بشكل متقن والتي تثبت تنفيذ التطبيقات الصناعية عالية التيار ، فإن LiFePO₄أو FePO₄خلايا Li-Ion ذات الكاثود مرغوبة جدًا.

ليس فقط لديهم كثافة طاقة أكبر بكثير من خلايا Li-Ion التقليدية ، ولكن أيضًا كثافة طاقة عالية للغاية.

إن الجمع بين المقاومة الداخلية المنخفضة والوزن المنخفض يبشر بالخير للخلايا البديلة التي تعتمد على النيكل أو الرصاص في تطبيقات الطاقة العالية.

عادة ، لا تستطيع الخلايا تحمل التفريغ المستمر عند 30 درجة مئوية دون التعرض لارتفاع خطير في درجة الحرارة. هذا غير ملائم لأنك لن ترغب في تفريغ خلية 2.3 Ah عند 70 أمبير في دقيقتين فقط. في هذا النوع من التطبيقات ، يحصل المستخدم على خيارات أوسع من خلايا الليثيوم التقليدية.

على الجانب الآخر ، هناك طلب مستمر لشحن أسرع ، خاصة إذا كان من الممكن تقليل مدة الشحن بشكل كبير. ربما هذا هو أحد أسباب LiFePO₄تتوفر الخلايا في تدريبات مطرقة احترافية 36 فولت (10 خلايا سلسلة).

من الأفضل نشر خلايا الليثيوم في السيارات الهجينة والصديقة للبيئة. باستخدام أربعة FePO فقط₄الخلايا (13.2 فولت) في حزمة البطارية تنتج وزنًا أقل بنسبة 70٪ من بطارية الرصاص الحمضية. إن دورة حياة المنتج المحسنة والطاقة الأعلى بشكل ملحوظ فوق كثافة الطاقة قد دعمت تطوير مركبة هجينة التكنولوجيا إلى حد كبير في المركبات عديمة الانبعاثات.