Spesifikasi Pengisian / Pengosongan Baterai LiFePO4, Penjelasan Keuntungan

Sementara baterai Li-Ion dan Lithium polymer electrolyte (LiPo) memiliki kepadatan energi yang tak tertandingi, baterai berbasis Lithium mahal untuk diproduksi dan membutuhkan penanganan yang cermat bersama dengan pengisian yang hati-hati.

Dengan kemajuan nanoteknologi, proses pembuatan elektroda katoda untuk baterai ini telah mengalami peningkatan yang substansial.

Terobosan melalui LiFePO beban tinggi berbasis nanoteknologi₄sel lebih maju daripada sel Li-ion atau Lipo tradisional.

Mari pelajari lebih lanjut:

Apa itu LiFePO₄Baterai

Baterai lithium besi fosfat (LiFePO₄baterai) atau baterai LFP (lithium ferrophosphate), adalah bentuk baterai ion lithium yang mempekerjakan LiFePO₄sebagai bahan katoda (di dalam baterai katoda ini merupakan elektroda positif), dan elektroda karbon grafit yang memiliki penyangga logam membentuk anoda.

Kepadatan energi LiFePO₄lebih kecil dibandingkan dengan kimia litium kobalt oksida (LiCoO 2) konvensional, serta memiliki tegangan kerja yang lebih kecil.

Kelemahan paling krusial dari LiFePO₄adalah konduktivitas listriknya yang berkurang. Akibatnya, setiap LiFePO₄katoda yang diperhitungkan pada kenyataannya adalah LiFePO₄/ C.

Karena biaya yang lebih murah, toksisitas minimal, kinerja yang ditentukan dengan tepat, stabilitas yang luas, dll. LiFePO₄telah menjadi populer di sejumlah aplikasi berbasis kendaraan, aplikasi stasioner skala utilitas, dan juga dalam inverter, aplikasi konverter.

Keuntungan dari LiFePO₄Baterai

Sel nano fosfat memanfaatkan keunggulan sel litium tradisional dan menggabungkannya dengan keunggulan senyawa berbasis nikel. Semua ini terjadi tanpa mengalami kerugian dari kedua belah pihak.

Ideal ini Baterai NiCd memiliki beberapa keuntungan seperti:

• Keamanan - Mereka tidak mudah terbakar sehingga tidak perlu sirkuit pelindung.
• Kuat - Baterai memiliki masa pakai siklus tinggi dan metode pengisian standar.
• Toleransi tinggi terhadap beban berat dan pengisian cepat.
• Mereka memiliki tegangan pelepasan yang konstan (kurva pelepasan datar).
• Tegangan sel tinggi dan self-discharge rendah
• Tenaga unggul dan kepadatan energi yang kompak

Perbedaan Antara LiFePO₄dan Baterai Li-Ion

Konvensional Sel Li-ion dilengkapi dengan tegangan minimum 3,6 V dan tegangan pengisian 4,1 V. Terdapat perbedaan 0,1 V pada kedua tegangan ini dengan berbagai produsen. Inilah perbedaan utamanya.

Sel nano fosfat memiliki tegangan nominal 3,3 V dan tegangan muatan yang ditekan 3,6 V. Kapasitas normal 2,3 Ah cukup umum ketika diadu dengan kapasitas 2,5 atau 2,6 Ah yang ditawarkan oleh sel Li-Ion standar.

Perbedaan yang lebih menonjol ada pada bobotnya. Sel nano fosfat beratnya hanya 70 g sedangkan mitranya, sel Li-Ion Sony atau Panasonic memiliki berat masing-masing 88 g dan 93 g.

Alasan utama untuk ini ditunjukkan pada Gambar 1 di mana casing sel nano fosfat canggih terbuat dari aluminium dan bukan baja lembaran.

Selain itu, ini memiliki keunggulan lain dibandingkan sel konvensional karena aluminium lebih baik dalam meningkatkan konduksi panas dari sel.

Satu lagi desain inovatif adalah casing yang membentuk terminal positif sel. Itu dibangun dengan lapisan tipis bahan feromagnetik yang membentuk kontak nyata.

Spesifikasi Pengisian / Pengosongan dan Kerja

Untuk mencegah kerusakan dini pada baterai, kami merekomendasikan untuk menerapkan arus / voltase pengisian maksimum yang diizinkan, jika Anda perlu memverifikasi spesifikasi dari lembar data.

Percobaan kecil kami mengungkapkan sifat baterai yang berubah. Pada setiap siklus pengisian / pengosongan, kami mencatat penurunan kapasitas sekitar 1 mAh (0,005%) dari kapasitas minimum.

Awalnya, kami mencoba menagih LiFePO kami₄sel pada 1 C penuh (2,3 A) dan mengatur nilai pemakaian pada 4 C (9,2A). Yang mengherankan, sepanjang urutan pengisian, tidak ada peningkatan suhu sel. Namun, selama pemakaian, suhu meningkat dari 21 ° C menjadi 31 ° C.

Uji pelepasan untuk 10 C (23 A) berjalan baik dengan kenaikan suhu sel tercatat sebesar 49 ° C. Setelah tegangan sel berkurang menjadi 4 V (diukur dengan beban), baterai memberikan tegangan pelepasan rata-rata (Um) sebesar 5,68 V atau 2,84 V pada setiap sel. Densitas energi dihitung menjadi 94 Wh / kg.

Pada kisaran ukuran yang sama, sel Sony 26650VT menyajikan tegangan rata-rata yang lebih tinggi sebesar 3,24 V pada debit 10 C dengan kepadatan energi yang lebih rendah dari 89 Wh / kg.

Ini lebih rendah dari LiFePO₄kepadatan sel. Perbedaan tersebut dapat dikaitkan dengan penurunan berat sel. Tapi, LiFePO₄sel memiliki kinerja yang jauh lebih rendah daripada sel LiPo.

Yang terakhir ini sering diterapkan pada sirkuit pemodelan dan mereka memiliki tegangan pelepasan rata-rata 3,5 V atau lebih pada 10 C.Dalam hal kepadatan energi, sel LiPo juga berada di atas angin dengan kisaran antara 120 Wh / kg dan 170 Wh / kg .

Dalam pemeriksaan kami berikutnya, kami mengisi penuh LiFePO₄sel pada 1 C dan didinginkan kemudian hingga -8 ° C. Debit berikutnya pada suhu 10 C terjadi pada suhu ruang sekitar 23 ° C.

Suhu permukaan sel meningkat menjadi 9 ° C setelah itu. Namun, suhu internal sel pasti lebih rendah secara signifikan meskipun pengukuran langsungnya tidak memungkinkan.

Pada Gambar 2, Anda dapat melihat tegangan terminal (garis merah) dari sel yang didinginkan di awal. Saat suhu naik, itu kembali ke tingkat yang sama seperti jika pengujian dilakukan dengan sel pada suhu kamar.

Anehnya, perbedaan suhu akhir rendah (47 ° C berbanding 49 ° C). Ini karena resistansi internal sel bergantung pada suhu. Itu berarti ketika sel-selnya dingin (suhu rendah), secara substansial lebih banyak daya yang dihamburkan secara internal.

Pemeriksaan selanjutnya terkait dengan arus pelepasan yang meningkat menjadi 15 C (34,5 A), sel-sel tersebut menunjukkan kapasitas yang lebih dari minimumnya karena suhu meningkat menjadi 53 ° C dari 23 ° C.

Menguji Kapasitas Arus Ekstrim LiFePO₄Sel

Kami telah menunjukkan kepada Anda konfigurasi rangkaian sederhana pada Gambar 3. Kami menggunakan rangkaian resistansi rendah untuk mengukur level arus puncak.

Kombinasi resistansi termasuk resistor shunt 1 mΩ, resistansi bawaan dari sink arus 100 A dan rekan-rekannya (resistansi kabel dan resistansi kontak pada konektor MPX).

Resistensi yang sangat rendah mencegah pelepasan muatan tunggal agar tidak melebihi 65 A.

Oleh karena itu, kami mencoba mendelegasikan pengukuran arus tinggi menggunakan dua sel secara seri seperti sebelumnya. Oleh karena itu, tegangan antar sel dapat diukur dengan menggunakan multimeter.

Penyerap arus dalam percobaan ini mungkin kelebihan beban karena arus pengenal sel 120 A. Dengan membatasi cakupan evaluasi kami, kami memantau peningkatan suhu pada pelepasan 15 C.

Hal ini menunjukkan bahwa tidak tepat untuk menguji sel sekaligus pada laju pelepasan kontinu terukur 30 C (70 A).

Ada bukti kuat bahwa suhu permukaan sel 65 ° C selama pelepasan adalah batas atas keselamatan. Jadi, kami membuat jadwal pembuangan yang dihasilkan.

Pertama, pada 69 A (30 C) sel-sel tersebut dilepaskan selama 16 detik. Kemudian, dilanjutkan dengan interval 'pemulihan' bergantian 11,5 A (5 C) selama setengah menit.

Setelah itu, ada pulsa 10 detik pada 69 A. Akhirnya, jika tegangan pelepasan minimum atau suhu maksimum yang diizinkan tercapai, operasi pelepasan dihentikan. Gambar 4 menggambarkan hasil yang diperoleh.

Sepanjang interval beban tinggi, tegangan terminal turun dengan cepat, menunjukkan bahwa ion litium di dalam sel telah membatasi dan memperlambat pergerakan.

Namun, sel meningkat dengan cepat selama interval beban rendah. Meskipun voltase turun secara perlahan saat sel kosong, Anda mungkin menemukan voltase yang kurang akurat turun karena beban yang lebih tinggi, karena suhu sel meningkat.

Ini memvalidasi bagaimana suhu bergantung pada resistansi internal sel.

Kami mencatat hambatan internal ke DC menjadi sekitar 11 mΩ (lembar data menyajikan 10 mΩ) ketika sel setengah kosong.

Ketika sel telah kosong sepenuhnya, suhunya telah meningkat hingga 63 ° C, yang membuatnya berisiko terhadap keselamatan. Hal ini karena tidak ada pendinginan tambahan untuk sel, sehingga kami berhenti melanjutkan ke pengujian dengan pulsa beban tinggi yang lebih lama.

Baterai memberikan output 2320 mAh dalam tes ini yang lebih besar dari kapasitas nominal.

Dengan perbedaan maksimum antara voltase sel pada 10 mV, kecocokan di antara mereka luar biasa selama pengujian.

Pelepasan pada beban penuh dihentikan ketika tegangan terminal mencapai 1 V per sel.

Semenit kemudian, kami melihat pemulihan tegangan sirkuit terbuka 2,74 V pada setiap sel.

Tes Pengisian Cepat

Pengujian pengisian cepat dilakukan pada 4 C (9,2 A) tanpa menggunakan penyeimbang elektronik tetapi kami terus-menerus memeriksa voltase sel individu.

Ketika menggunakan baterai timbal-asam , kami hanya dapat mengatur arus pengisian awal karena voltase maksimum dan terbatas yang dikirimkan oleh pengisi daya.

Selain itu, arus pengisian hanya dapat diatur setelah tegangan sel naik ke titik di mana arus muatan mulai berkurang (arus konstan / pengisian tegangan konstan).

Dalam percobaan kami dengan LiFePO₄, ini terjadi setelah 10 menit di mana durasinya berkurang karena efek shunt pada meteran.

Kita tahu bahwa sel diisi hingga 97% atau lebih dari kapasitas nominalnya setelah 20 menit berlalu.

Selanjutnya, arus muatan pada tahap ini telah turun menjadi 0,5 A. Akibatnya, keadaan sel 'penuh' akan dilaporkan oleh pengisi daya cepat .

Selama proses pengisian cepat, voltase sel terkadang bergerak sedikit dari satu sama lain, tetapi tidak melebihi 20 mV.

Tetapi untuk keseluruhan proses, sel selesai mengisi daya pada waktu yang bersamaan.

Saat mengalami pengisian cepat, sel cenderung sedikit memanas, dengan suhu agak tertinggal arus pengisian.

Ini dapat dikaitkan dengan hilangnya resistansi internal sel.

Sangatlah penting untuk mengikuti tindakan pencegahan keamanan saat mengisi daya LiFePO₄dan tidak melebihi tegangan pengisian yang disarankan sebesar 3,6 V.

Kami mencoba menyelinap melewati sedikit dan mencoba untuk 'mengisi terlalu banyak' sel dengan tegangan terminal 7,8 V (3,9 V per sel).

Sama sekali tidak disarankan untuk mengulanginya di rumah.

Meskipun tidak ada perilaku aneh seperti merokok atau bocor dan voltase sel juga hampir sama, tetapi hasil keseluruhan tampaknya tidak terlalu menguntungkan.

• Debit 3 C memasok tambahan 100 mAh dan tegangan pelepasan rata-rata relatif lebih tinggi.
• Yang ingin kami katakan adalah pengisian yang berlebihan menyebabkan peningkatan kecil pada kepadatan energi dari 103,6 Wh / kg menjadi 104,6 Wh / kg.
• Namun, tidak ada gunanya menanggung risiko dan mungkin menyebabkan kehidupan sel mengalami kerusakan permanen.

Kimia Baterai dan Evaluasi

Konsep penerapan FePO₄nanoteknologi bersama dengan kimia baterai litium adalah untuk meningkatkan luas permukaan elektroda di mana reaksi dapat berlangsung.

Ada ruang untuk inovasi kedepannya pada anoda grafit (terminal negatif) terlihat keruh, namun mengenai katoda, terjadi kemajuan yang substansial.

Di katoda senyawa (biasanya oksida) logam transisi digunakan untuk penangkapan ion. Logam seperti mangan, kobalt dan nikel yang digunakan oleh katoda telah diproduksi secara massal.

Apalagi masing-masing memiliki pro dan kontra masing-masing. Produsen memilih besi, terutama besi fosfat (FePO4) di mana mereka menemukan bahan katoda yang bahkan pada voltase yang lebih rendah cukup fungsional untuk menahan kapasitas baterai yang ekstrim.

Pada dasarnya, baterai Li-Ion hanya stabil secara kimiawi dalam rentang tegangan kecil 2,3 V hingga 4,3 V. Pada kedua ujung rentang ini diperlukan konsiliasi tertentu untuk persyaratan masa pakai. Secara praktis, batas atas 4,2 V dianggap dapat diterima, sedangkan 4,1 V direkomendasikan untuk masa pakai yang lama.

Baterai lithium konvensional yang terdiri dari beberapa sel dihubungkan secara seri tetap dalam batas tegangan melalui pengaya elektronik seperti penyeimbang , equalizer atau pembatas tegangan yang tepat.

Kompleksitas sirkuit ini meningkat dengan meningkatnya arus muatan yang mengakibatkan kerugian daya tambahan. Bagi pengguna, perangkat pengisi daya ini tidak terlalu disukai karena mereka lebih memilih sel yang tahan dalam pelepasan daya.

Selain itu, pengguna juga menginginkan rentang suhu yang lebar dan kemungkinan pengisian cepat. Semua ini menggunakan teknologi nano FePO₄berbasis LiFePO₄sel menjadi favorit dalam inovasi baterai Li-Ion.

Kesimpulan awal

Karena kurva tegangan luahan datar yang rumit yang menjangkar pelaksanaan aplikasi industri arus tinggi, LiFePO₄atau FePO₄-katoda sel Li-Ion sangat diinginkan.

Tidak hanya mereka memiliki kepadatan energi yang jauh lebih banyak daripada sel Li-Ion konvensional, tetapi juga kepadatan daya yang sangat tinggi.

Kombinasi resistansi internal rendah dan bobot rendah menjadi pertanda baik bagi sel pengganti yang bergantung pada nikel atau timbal dalam aplikasi daya tinggi.

Biasanya, sel tidak dapat menahan pelepasan terus menerus pada 30 C tanpa mengalami kenaikan suhu yang berbahaya. Ini tidak menguntungkan karena Anda tidak ingin sel 2,3 Ah dilepaskan pada 70 A hanya dalam dua menit. Dalam jenis aplikasi ini, pengguna mendapatkan opsi yang lebih luas daripada sel lithium tradisional.

Di sisi lain, ada permintaan terus menerus untuk pengisian yang lebih cepat, terutama jika durasi pengisian dapat dikurangi secara drastis. Mungkin inilah salah satu alasan mengapa LiFePO₄sel tersedia dalam bor palu profesional 36 V (10 seri sel).

Sel litium paling baik digunakan dalam mobil hibrida dan ramah lingkungan. Menggunakan hanya empat FePO₄sel (13,2 V) dalam kemasan baterai menghasilkan bobot 70% lebih rendah daripada baterai timbal-asam. Siklus hidup produk yang lebih baik dan energi yang jauh lebih tinggi di atas kepadatan daya telah mendukung pengembangan kendaraan hybrid teknologi sebagian besar pada kendaraan tanpa emisi.