Trong khi pin Li-Ion và Lithium polymer điện phân (LiPo) sở hữu mật độ năng lượng vô song, thì pin Lithium lại tốn kém chi phí sản xuất và cần xử lý tỉ mỉ cùng với việc sạc cẩn thận.
Với sự tiến bộ của công nghệ nano, quy trình sản xuất điện cực catốt cho các loại pin này đã có một bước cải tiến đáng kể.
Đột phá LiFePO tải cao dựa trên công nghệ nano4tế bào tiên tiến hơn so với tế bào Li-ion hoặc Lipo truyền thống.
Hãy cùng tìm hiểu thêm:
LiFePO là gì4Ắc quy
Pin lithium sắt phosphate (LiFePO4pin) hoặc pin LFP (lithium ferrophosphate), là một dạng của pin lithium-ion sử dụng LiFePO4làm vật liệu làm cực âm (bên trong pin, cực âm này tạo thành điện cực dương) và điện cực cacbon graphit có giá đỡ bằng kim loại tạo thành cực dương.
Mật độ năng lượng của LiFePO4nhỏ hơn so với hóa học lithium coban oxit (LiCoO 2) thông thường, cũng như có điện áp làm việc nhỏ hơn.
Nhược điểm quan trọng nhất của LiFePO4là độ dẫn điện giảm của nó. Kết quả là, mỗi một trong số LiFePO4cực âm được tính đến trong thực tế là LiFePO4/ C.
Do chi phí rẻ hơn, độc tính tối thiểu, hiệu suất được chỉ định chính xác, độ ổn định rộng rãi, v.v. LiFePO4đã trở nên phổ biến trong một số ứng dụng trên xe, các ứng dụng cố định ở quy mô tiện ích, và cả trong các ứng dụng biến tần, bộ chuyển đổi.
Ưu điểm của LiFePO4Ắc quy
Các tế bào photphat nano lấy các ưu điểm của các tế bào lithium truyền thống và hợp nhất chúng với các ưu điểm của các hợp chất dựa trên niken. Tất cả những điều này xảy ra mà không gặp bất lợi của bên nào.
Những lý tưởng Pin NiCd có một số đặc quyền như:
- An toàn - Chúng không bắt lửa nên không cần mạch bảo vệ.
- Mạnh mẽ - Pin có tuổi thọ chu kỳ cao và phương pháp sạc tiêu chuẩn.
- Khả năng chịu tải nặng cao và sạc nhanh.
- Chúng có điện áp phóng điện không đổi (đường cong phóng điện phẳng).
- Điện áp tế bào cao và tự phóng điện thấp
- Công suất vượt trội và mật độ năng lượng nhỏ gọn
Sự khác biệt giữa LiFePO4và Pin Li-Ion
Thông thường Tế bào Li-ion được trang bị điện áp tối thiểu là 3,6 V và điện áp sạc 4,1 V. Có sự khác biệt 0,1 V ở cả hai điện áp này với các nhà sản xuất khác nhau. Đây là sự khác biệt chính.
Các tế bào photphat nano có điện áp danh định là 3,3 V và điện áp tích điện bị triệt tiêu là 3,6 V. Dung lượng bình thường là 2,3 Ah khá phổ biến khi đọ sức với công suất 2,5 hoặc 2,6 Ah mà các tế bào Li-Ion tiêu chuẩn cung cấp.
Sự khác biệt nổi bật hơn là về trọng lượng. Tế bào nano photphat chỉ nặng 70 g trong khi đối tác của nó, tế bào Li-Ion của Sony hoặc Panasonic có trọng lượng tương ứng là 88 g và 93 g.
Lý do chính của điều này được thể hiện trong Hình 1, trong đó vỏ của tế bào photphat nano tiên tiến được làm bằng nhôm chứ không phải thép tấm.
Ngoài ra, điều này mang lại một lợi thế khác so với các tế bào thông thường vì nhôm cải thiện khả năng dẫn nhiệt từ tế bào tốt hơn.
Một thiết kế sáng tạo khác là vỏ tạo thành cực dương của tế bào. Nó được xây dựng bằng một lớp mỏng vật liệu sắt từ tạo thành các điểm tiếp xúc thực.
Thông số kỹ thuật sạc / xả và hoạt động
Để tránh hư hỏng sớm cho pin, chúng tôi khuyên bạn nên áp dụng dòng điện / điện áp sạc tối đa cho phép, trong trường hợp bạn cần xác minh các thông số kỹ thuật từ biểu dữ liệu.
Thí nghiệm nhỏ của chúng tôi cho thấy các đặc tính của pin đã thay đổi. Ở mỗi chu kỳ sạc / xả, chúng tôi ghi nhận mức dung lượng giảm xuống khoảng 1 mAh (0,005%) so với dung lượng tối thiểu.
Lúc đầu, chúng tôi đã cố gắng sạc LiFePO của mình4ở đầy đủ 1 C (2,3 A) và đặt giá trị phóng điện ở 4 C (9,2A). Điều đáng ngạc nhiên là trong suốt quá trình sạc, không có sự gia tăng nhiệt độ của tế bào. Tuy nhiên, trong quá trình xả, nhiệt độ đã tăng từ 21 ° C lên 31 ° C.
Thử nghiệm phóng điện ở 10 C (23 A) đã diễn ra tốt đẹp với mức tăng nhiệt độ tế bào được ghi lại là 49 ° C. Khi điện áp của ô giảm xuống còn 4 V (đo dưới tải), pin cung cấp điện áp phóng điện trung bình (Um) là 5,68 V hoặc 2,84 V trên mỗi ô. Mật độ năng lượng được tính là 94 Wh / kg.
Ở cùng phạm vi kích thước, tế bào Sony 26650VT có điện áp trung bình cao hơn là 3,24 V ở mức phóng điện 10 C với mật độ năng lượng thấp hơn là 89 Wh / kg.
Điều này thấp hơn LiFePO4mật độ tế bào. Sự khác biệt có thể là do trọng lượng tế bào giảm. Nhưng, LiFePO4tế bào có hiệu suất thấp hơn đáng kể so với tế bào LiPo.
Loại thứ hai thường được áp dụng cho các mạch mô hình và chúng có điện áp phóng điện trung bình từ 3,5 V trở lên ở 10 C. Về mật độ năng lượng, các tế bào LiPo cũng có ưu thế hơn với phạm vi từ 120 Wh / kg đến 170 Wh / kg .
Trong lần kiểm tra tiếp theo, chúng tôi đã sạc đầy LiFePO4tế bào ở 1 C và làm lạnh sau đó đến -8 ° C. Sự phóng điện sau đó ở 10 C xảy ra ở nhiệt độ phòng khoảng 23 ° C.
Nhiệt độ bề mặt của các tế bào đã tăng lên 9 ° C sau đó. Tuy nhiên, nhiệt độ bên trong của tế bào phải thấp hơn đáng kể mặc dù không thể đo trực tiếp.
Trong Hình 2, bạn có thể thấy điện áp đầu cuối (đường màu đỏ) của các tế bào được làm mát lúc đầu bị lặn. Khi nhiệt độ tăng lên, nó trở lại mức giống như khi thử nghiệm được tiến hành với các tế bào ở nhiệt độ môi trường.
Đáng ngạc nhiên, sự khác biệt về nhiệt độ cuối cùng là thấp (47 ° C so với 49 ° C). Điều này là do điện trở bên trong của các tế bào phụ thuộc vào nhiệt độ. Điều đó có nghĩa là khi các tế bào lạnh (nhiệt độ thấp), về cơ bản lượng điện năng tiêu thụ bên trong nhiều hơn.
Lần kiểm tra tiếp theo liên quan đến dòng phóng điện khi nó tăng lên 15 C (34,5 A), các tế bào đã trình bày nhiều hơn công suất tối thiểu của chúng khi nhiệt độ tăng lên 53 ° C từ 23 ° C.
Kiểm tra công suất dòng cực đại của LiFePO4Tế bào
Chúng tôi đã chỉ cho bạn một cấu hình mạch đơn giản trong Hình 3. Chúng tôi đã sử dụng một mạch điện trở thấp để đo mức dòng điện đỉnh.
Sự kết hợp của các điện trở bao gồm điện trở shunt 1 mΩ, điện trở tích hợp của bộ tản dòng 100 A và các điện trở của nó (điện trở cáp và điện trở tiếp xúc trong đầu nối MPX).
Điện trở cực thấp đã ngăn cản sự phóng điện của một điện tích lớn hơn 65 A.
Do đó, chúng tôi đã thử ủy quyền các phép đo dòng điện cao bằng cách sử dụng hai ô nối tiếp như trước đây. Do đó, chúng tôi có thể đo điện áp giữa các ô bằng đồng hồ vạn năng.
Bồn rửa hiện tại trong thử nghiệm này có thể đã bị quá tải do dòng điện định mức của tế bào là 120 A. Bằng cách giới hạn phạm vi đánh giá của chúng tôi, chúng tôi đã theo dõi nhiệt độ tăng lên ở mức xả 15 độ C.
Điều này cho thấy không phù hợp để kiểm tra tất cả các tế bào cùng một lúc ở tốc độ phóng điện liên tục danh định của chúng là 30 C (70 A).
Có bằng chứng đáng kể cho thấy nhiệt độ bề mặt tế bào 65 ° C trong quá trình phóng điện là giới hạn an toàn trên. Vì vậy, chúng tôi đã xây dựng lịch trình xả thải.
Đầu tiên, ở 69 A (30 C), các tế bào được phóng điện trong 16 giây. Sau đó, tiếp theo là các khoảng thời gian ‘phục hồi’ xen kẽ 11,5 A (5 C) trong nửa phút.
Sau đó, có xung 10 giây ở 69 A. Cuối cùng, khi đạt được điện áp phóng điện tối thiểu hoặc nhiệt độ tối đa cho phép thì quá trình phóng điện kết thúc. Hình 4 mô tả các kết quả thu được.
Trong suốt khoảng thời gian tải cao, điện áp đầu cuối giảm nhanh chóng, chứng tỏ rằng các ion lithium bên trong tế bào đã hạn chế và chuyển động chậm.
Tuy nhiên, tế bào cải thiện nhanh chóng trong khoảng thời gian tải thấp. Mặc dù điện áp giảm từ từ khi tế bào được phóng điện, bạn có thể thấy điện áp giảm xuống đáng kể kém chính xác hơn đáng kể khi tải cao hơn, khi nhiệt độ tế bào tăng lên.
Điều này xác nhận nhiệt độ phụ thuộc vào điện trở bên trong của tế bào như thế nào.
Chúng tôi đã ghi lại một điện trở bên trong đối với DC là khoảng 11 mΩ (biểu dữ liệu trình bày 10 mΩ) khi tế bào được phóng điện một nửa.
Khi tế bào đã xả hoàn toàn, nhiệt độ đã tăng lên 63 ° C, khiến nó có nguy cơ mất an toàn. Điều này là do không có làm mát bổ sung cho các tế bào, do đó, chúng tôi đã ngừng tiến hành thử nghiệm với các xung tải cao dài hơn.
Trong bài kiểm tra này, viên pin cho sản lượng 2320 mAh, lớn hơn dung lượng danh nghĩa.
Với sự chênh lệch tối đa giữa các điện áp của tế bào là 10 mV, sự phù hợp giữa chúng rất nổi bật trong suốt thử nghiệm.
Quá trình phóng điện ở mức đầy tải bị dừng lại khi điện áp đầu cuối đạt được 1 V trên mỗi ô.
Một phút sau, người ta thấy điện áp mạch hở trên mỗi tế bào có giá trị hồi phục là 2,74 V.
Kiểm tra sạc nhanh
Các bài kiểm tra sạc nhanh được thực hiện ở 4 C (9,2 A) mà không kết hợp bộ cân bằng điện tử nhưng chúng tôi liên tục kiểm tra điện áp từng tế bào.
Khi đang sử dụng pin axít chì , chúng tôi chỉ có thể đặt dòng sạc ban đầu do điện áp tối đa và giới hạn do bộ sạc cung cấp.
Ngoài ra, dòng sạc chỉ có thể được đặt sau khi điện áp tế bào đã tăng lên đến điểm mà dòng điện bắt đầu giảm (dòng điện không đổi / sạc điện áp không đổi).
Trong thử nghiệm của chúng tôi với LiFePO4, điều này xảy ra sau 10 phút khi thời lượng bị giảm do tác động của shunt trong đồng hồ.
Chúng tôi biết rằng tế bào được sạc đến 97% hoặc hơn dung lượng danh nghĩa sau 20 phút trôi qua.
Hơn nữa, dòng điện ở giai đoạn này đã giảm xuống còn 0,5 A. Do đó, trạng thái 'đầy' của các ô sẽ được báo cáo bởi bộ sạc nhanh .
Trong suốt quá trình sạc nhanh, các điện áp di động đôi khi dịch chuyển một chút so với nhau, nhưng không vượt quá 20 mV.
Nhưng về tổng thể của quá trình, các tế bào đã sạc xong cùng một lúc.
Khi trải nghiệm sạc nhanh, các tế bào có xu hướng nóng lên một chút, với nhiệt độ có phần làm chậm dòng điện sạc.
Điều này có thể được cho là do mất sức đề kháng bên trong của các tế bào.
Điều cơ bản là tuân theo các biện pháp phòng ngừa an toàn khi sạc LiFePO4và không vượt quá điện áp sạc đề xuất của nó là 3,6 V.
Chúng tôi đã cố gắng lách qua một chút và cố gắng 'sạc quá mức' các tế bào có điện áp đầu cuối là 7,8 V (3,9 V trên mỗi ô).
Nó không được khuyến khích để lặp lại điều này ở nhà.
Mặc dù không có hành vi kỳ lạ như hút thuốc hoặc rò rỉ và điện áp tế bào cũng gần như bằng nhau, nhưng kết quả chung dường như không quá có lợi.
- Dòng xả 3 C cung cấp thêm 100 mAh và điện áp xả trung bình tương đối cao hơn.
- Ý chúng tôi muốn nói là sạc quá mức gây ra một sự gia tăng nhỏ về mật độ năng lượng từ 103,6 Wh / kg lên 104,6 Wh / kg.
- Tuy nhiên, việc chịu đựng rủi ro và có thể khiến sự sống của các tế bào bị tổn thương vĩnh viễn là điều không đáng.
Hóa học và Đánh giá Pin
Khái niệm ứng dụng FePO4công nghệ nano cùng với hóa học pin lithium là nâng cao diện tích bề mặt của các điện cực mà trên đó các phản ứng có thể diễn ra.
Có không gian cho sự đổi mới trong tương lai ở cực dương than chì (cực âm) trông có vẻ vẩn đục, nhưng về cực âm, có những tiến bộ đáng kể.
Các hợp chất ở cực âm (thường là oxit) của các kim loại chuyển tiếp được sử dụng để bắt ion. Các kim loại như mangan, coban và niken được sử dụng làm cực âm đã được sản xuất hàng loạt.
Hơn nữa, mỗi người trong số họ có những ưu và khuyết điểm tương ứng. Nhà sản xuất đã chọn sắt, đặc biệt là sắt photphat (FePO4), trong đó họ đã phát hiện ra một vật liệu catốt mà ngay cả ở điện áp thấp hơn vẫn đủ chức năng để hoạt động với dung lượng pin cực lớn.
Về cơ bản, pin Li-Ion chỉ ổn định về mặt hóa học trong phạm vi điện áp nhỏ từ 2,3 V đến 4,3 V. Ở cả hai đầu của dải này, một số hòa giải nhất định là cần thiết cho tuổi thọ sử dụng. Trên thực tế, giới hạn trên 4,2 V được coi là chấp nhận được trong khi khuyến nghị 4,1 V để kéo dài tuổi thọ.
Pin lithium thông thường được tạo thành từ một số ô được nối thành chuỗi ở trong giới hạn điện áp thông qua các tiện ích bổ sung điện tử như người cân bằng , bộ cân bằng hoặc bộ giới hạn điện áp chính xác.
Độ phức tạp của các mạch này tăng lên khi dòng điện tích tăng lên dẫn đến tổn thất điện năng bổ sung. Đối với người dùng, các thiết bị sạc này không quá thích hợp vì họ thích các tế bào có thể chịu được dòng điện sâu.
Hơn nữa, người dùng cũng muốn có dải nhiệt độ rộng và khả năng sạc nhanh. Tất cả những điều này đã đặt công nghệ nano FePO4dựa trên LiFePO4tế bào trở thành mục yêu thích trong sự đổi mới của pin Li-Ion.
Kết luận sơ bộ
Do các đường cong điện áp phóng điện phẳng công phu của chúng, neo giữ việc thực hiện các ứng dụng công nghiệp dòng điện cao, LiFePO4hoặc FePO4-các tế bào Li-Ion cực âm rất mong muốn.
Chúng không chỉ có mật độ năng lượng lớn hơn đáng kể so với các tế bào Li-Ion thông thường, mà còn có mật độ năng lượng cực cao.
Sự kết hợp của điện trở bên trong thấp và mã trọng lượng thấp phù hợp với các tế bào thay thế tùy thuộc vào niken hoặc chì trong các ứng dụng công suất cao.
Thông thường, các tế bào không thể chịu được sự phóng điện liên tục ở 30 C mà không gặp phải sự gia tăng nhiệt độ nguy hiểm. Điều này là bất lợi vì bạn sẽ không muốn một tế bào 2,3 Ah phóng điện ở 70 A chỉ trong hai phút. Trong loại ứng dụng này, người dùng có nhiều tùy chọn hơn so với các tế bào lithium truyền thống.
Mặt khác, có nhu cầu liên tục để sạc nhanh hơn, đặc biệt nếu thời lượng sạc có thể giảm đáng kể. Có lẽ đây là một trong những lý do tại sao LiFePO4ô có sẵn trong máy khoan búa chuyên nghiệp 36 V (10 ô).
Tế bào Lithium được triển khai tốt nhất trong ô tô hybrid và ô tô thân thiện với môi trường. Chỉ sử dụng bốn FePO4pin (13,2 V) trong một bộ pin có trọng lượng thấp hơn 70% so với một pin axit-chì. Vòng đời sản phẩm được cải thiện và năng lượng cao hơn đáng kể trên mật độ công suất đã hỗ trợ sự phát triển của xe lai công nghệ chủ yếu trong các phương tiện không phát thải.
Một cặp: Mạch điều khiển đèn LED âm trần Tiếp theo: Cách tạo pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm hoặc pin mặt trời từ trà trái cây
