Si bien las baterías de iones de litio y electrolitos de polímero de litio (LiPo) poseen una densidad de energía inigualable, las baterías de litio son costosas de producir y necesitan un manejo meticuloso junto con una carga cuidadosa.
Con el avance de la nanotecnología, el proceso de fabricación del electrodo catódico para estas baterías ha experimentado una mejora sustancial.
El avance a través de LiFePO de alta carga basado en nanotecnología4Las células son más avanzadas que las tradicionales células Li-ion o Lipo.
Aprendamos más:
¿Qué es LiFePO?4Batería
La batería de fosfato de hierro y litio (LiFePO4batería) o batería LFP (ferrofosfato de litio), es una forma de batería de iones de litio que emplea LiFePO4como material del cátodo (en el interior de las baterías, este cátodo constituye el electrodo positivo), y un electrodo de grafito y carbono que tiene un soporte metálico que forma el ánodo.
La densidad de energía de LiFePO4es más pequeño en comparación con la química convencional de óxido de cobalto de litio (LiCoO 2), y también presenta un voltaje de trabajo más pequeño.
La desventaja más crucial de LiFePO4es su conductividad eléctrica reducida. Como resultado, cada uno de los LiFePO4los cátodos en cuenta son en realidad LiFePO4/C.
Debido a costos más bajos, toxicidad mínima, rendimiento especificado con precisión, gran estabilidad, etc. LiFePO4se ha hecho popular en varias aplicaciones basadas en vehículos, aplicaciones estacionarias a escala de servicios públicos y también en aplicaciones de convertidores e inversores.
Ventajas de LiFePO4Batería
Las células de nano fosfato aprovechan las ventajas de las células de litio tradicionales y las combinan con las ventajas de los compuestos a base de níquel. Todo esto sucede sin experimentar las desventajas de ninguna de las partes.
Estos ideales Baterías de NiCd tiene varias ventajas como:
- Seguridad: no son inflamables, por lo que no es necesario un circuito de protección.
- Robusto: las baterías tienen un ciclo de vida elevado y un método de carga estándar.
- Alta tolerancia a cargas pesadas y carga rápida.
- Tienen un voltaje de descarga constante (una curva de descarga plana).
- Alto voltaje de celda y baja autodescarga
- Potencia superior y densidad de energía compacta
Diferencia entre LiFePO4y batería de iones de litio
Convencional Li-ion cells están equipados con un voltaje mínimo de 3,6 V y un voltaje de carga de 4,1 V. Hay una diferencia de 0,1 V en ambos voltajes con varios fabricantes. Ésta es la principal diferencia.
Las celdas de nano fosfato tienen un voltaje nominal de 3.3 V y un voltaje cargado suprimido de 3.6 V. La capacidad normal de 2.3 Ah es bastante común cuando se compara con la capacidad de 2.5 o 2.6 Ah ofrecida por las celdas estándar de Li-Ion.
La diferencia más prominente está en el peso. La celda de nano fosfato pesa solo 70 g, mientras que su contraparte, la celda de iones de litio de Sony o Panasonic tiene un peso de 88 gy 93 g respectivamente.
La razón principal de esto se muestra en la Figura 1, donde la carcasa de la celda de nano fosfato avanzada está hecha de aluminio y no de chapa de acero.
Además, esto tiene otra ventaja sobre las celdas convencionales ya que el aluminio es mejor para mejorar la conducción de calor desde la celda.
Otro diseño innovador es la carcasa que forma el terminal positivo de la celda. Está construido con una fina capa de material ferromagnético que forma los contactos reales.
Especificaciones de carga / descarga y funcionamiento
Para evitar daños prematuros a la batería, recomendamos aplicar la corriente / voltaje de carga máxima permitida, en caso de que necesite verificar las especificaciones de la hoja de datos.
Nuestro pequeño experimento reveló que las propiedades de la batería habían cambiado. En cada ciclo de carga / descarga, registramos una caída en la capacidad de alrededor de 1 mAh (0,005%) de la capacidad mínima.
Al principio, intentamos cargar nuestro LiFePO4celda a 1 C completo (2,3 A) y establezca el valor de descarga en 4 C (9,2 A). Sorprendentemente, a lo largo de la secuencia de carga, no hubo aumento en la temperatura de la celda. Sin embargo, durante la descarga, la temperatura se elevó de 21 ° C a 31 ° C.
La prueba de descarga para 10 C (23 A) fue bien con un aumento de temperatura de celda registrado de 49 ° C. Una vez que el voltaje de la celda se redujo a 4 V (medido bajo carga), la batería proporcionó un voltaje medio de descarga (Um) de 5.68 V o 2.84 V en cada celda. Se calculó que la densidad de energía era de 94 Wh / kg.
En el mismo rango de tamaño, la celda Sony 26650VT presenta un voltaje medio más alto de 3,24 V a 10 C de descarga con una densidad de energía más baja de 89 Wh / kg.
Esto es más bajo que el LiFePO4densidad celular. La diferencia se puede atribuir a la disminución del peso celular. Pero, el LiFePO4las celdas tienen un rendimiento significativamente menor que las celdas LiPo.
Este último se aplica con frecuencia a los circuitos de modelado y tienen una tensión de descarga media de 3,5 V o más a 10 C.En términos de densidad de energía, las células LiPo también tienen la ventaja con rangos entre 120 Wh / kg y 170 Wh / kg .
En nuestro próximo examen, cargamos completamente el LiFePO4células a 1 C y luego se enfriaron a -8 ° C. La descarga subsiguiente a 10 C ocurrió a temperatura ambiente, que es de alrededor de 23 ° C.
La temperatura de la superficie de las células había aumentado a 9 ° C después de eso. Aún así, la temperatura interna de la celda debe haber sido significativamente menor, aunque su medición directa no fue posible.
En la Figura 2, puede ver el voltaje terminal (línea roja) de las celdas enfriadas sumergidas al principio. A medida que la temperatura subió, volvió al mismo nivel que si la prueba se realizara con las celdas a temperatura ambiente.
Sorprendentemente, la diferencia en la temperatura final es baja (47 ° C contra 49 ° C). Esto se debe a que la resistencia interna de las celdas depende de la temperatura. Eso significa que cuando las celdas están frías (baja temperatura), se disipa internamente mucho más energía.
El siguiente examen se relacionó con la corriente de descarga donde aumentó a 15 C (34,5 A), las celdas presentaron más de su capacidad mínima a medida que la temperatura subió a 53 ° C desde 23 ° C.
Prueba de capacidad de corriente extrema de LiFePO4Células
Le mostramos una configuración de circuito simple en la Figura 3. Usamos un circuito de baja resistencia para medir los niveles de corriente pico.
La combinación de resistencias que incluye la resistencia shunt de 1 mΩ, la resistencia incorporada del disipador de corriente de 100 A y sus asociados (resistencias de cable y resistencias de contacto en el conector MPX).
La resistencia extremadamente baja impidió que la descarga de una sola carga superara los 65 A.
Por lo tanto, intentamos delegar las mediciones de alta corriente usando dos celdas en serie como antes. Debido a eso, pudimos medir el voltaje entre las celdas usando un multímetro.
Es posible que el sumidero de corriente en este experimento se haya sobrecargado debido a la corriente nominal de la celda de 120 A. Al limitar el alcance de nuestra evaluación, monitoreamos las elevaciones de temperatura a una descarga de 15 ° C.
Esto demostró que no es apropiado probar las celdas todas a la vez a su tasa de descarga continua nominal de 30 C (70 A).
Existe evidencia sustancial de que una temperatura de la superficie de la celda de 65 ° C durante la descarga es el límite superior de seguridad. Entonces, construimos el programa de descarga resultante.
En primer lugar, a 69 A (30 C) las pilas se descargan durante 16 segundos. Luego, fue seguido por intervalos alternos de 'recuperación' de 11.5 A (5 C) durante medio minuto.
Después de eso, hubo pulsos de 10 segundos a 69 A. Finalmente, cuando se alcanzó el voltaje de descarga mínimo o la temperatura máxima permitida, se terminó la operación de descarga. La Figura 4 muestra los resultados que se obtuvieron.
A lo largo de los intervalos de carga alta, el voltaje del terminal cayó rápidamente, lo que representa que los iones de litio dentro de las celdas tienen un movimiento lento y restringido.
Aún así, la celda mejora rápidamente durante los intervalos de carga baja. Aunque el voltaje cae lentamente a medida que se descarga la celda, puede encontrar caídas de voltaje considerablemente menos precisas por las cargas más altas, a medida que aumenta la temperatura de la celda.
Esto valida cómo la temperatura depende de la resistencia interna de la celda.
Registramos una resistencia interna a CC de aproximadamente 11 mΩ (la hoja de datos presenta 10 mΩ) cuando la celda está descargada a la mitad.
Cuando la celda se descargó por completo, la temperatura se elevó a 63 ° C, lo que la expone a riesgos de seguridad. Esto se debe a que no hay enfriamiento adicional para las celdas, por lo que dejamos de proceder a realizar pruebas con pulsos de alta carga más largos.
La batería dio una salida de 2320 mAh en esta prueba, que fue mayor que la capacidad nominal.
Con una diferencia máxima entre los voltajes de celda a 10 mV, la coincidencia entre ellos fue sobresaliente durante toda la prueba.
La descarga a plena carga se detuvo cuando el voltaje terminal alcanzó 1 V por celda.
Un minuto después, vimos una recuperación de voltaje de circuito abierto de 2.74 V en cada una de las celdas.
Prueba de carga rápida
Las pruebas de carga rápida se realizaron a 4 C (9,2 A) sin incorporar un equilibrador electrónico, pero verificamos constantemente los voltajes de las celdas individuales.
Cuando usas baterías de plomo ácido , solo podemos establecer la corriente de carga inicial debido al voltaje máximo y limitado entregado por el cargador.
Además, la corriente de carga solo se puede configurar después de que el voltaje de la celda haya aumentado hasta un punto en el que la corriente de carga comience a reducirse (carga de corriente constante / voltaje constante).
En nuestro experimento con LiFePO4, esto sucede después de 10 minutos donde la duración se reduce por el efecto de la derivación en el medidor.
Sabemos que la celda se carga al 97% o más de su capacidad nominal después de que hayan transcurrido 20 minutos.
Además, la corriente de carga en esta etapa se ha reducido a 0,5 A. Como resultado, un estado 'completo' de las celdas será informado por un cargador rapido .
A lo largo del proceso de carga rápida, los voltajes de las celdas a veces se movían un poco entre sí, pero no más allá de los 20 mV.
Pero para el proceso general, las celdas terminaron de cargarse al mismo tiempo.
Cuando se experimenta una carga rápida, las células tienden a calentarse un poco, y la temperatura se retrasa un poco con respecto a la corriente de carga.
Esto puede atribuirse a pérdidas en la resistencia interna de las células.
Es fundamental seguir las precauciones de seguridad al cargar el LiFePO4y no más allá de su voltaje de carga sugerido de 3.6 V.
Intentamos escabullirnos un poco e intentamos 'sobrecargar' las celdas con un voltaje terminal de 7,8 V (3,9 V por celda).
No se recomienda en absoluto repetir esto en casa.
Aunque no hubo un comportamiento extraño, como fumar o tener fugas, y los voltajes de la celda también fueron casi iguales, el resultado general no pareció ser demasiado beneficioso.
- La descarga de 3 C suministró 100 mAh adicionales y el voltaje de descarga medio fue relativamente más alto.
- Lo que queremos decir es que la sobrecarga provoca un pequeño aumento en la densidad de energía de 103,6 Wh / kg a 104,6 Wh / kg.
- Sin embargo, no vale la pena soportar los riesgos y posiblemente someter la vida de las células a un daño permanente.
Química y evaluaciones de la batería
El concepto de aplicar FePO4La nanotecnología junto con la química de una batería de litio es elevar el área de superficie de los electrodos sobre la cual pueden tener lugar las reacciones.
Hay espacio para futuras innovaciones en el ánodo de grafito (terminal negativo) que parece turbio, pero con respecto al cátodo, hay un progreso sustancial.
En el cátodo se utilizan compuestos (típicamente óxidos) de metales de transición para la captura de iones. Los metales como el manganeso, el cobalto y el níquel que se utilizan en los cátodos se han producido en masa.
Además, cada uno de ellos tiene sus respectivos pros y contras. El fabricante optó por el hierro, particularmente el fosfato de hierro (FePO4) en el que descubrieron un material de cátodo que incluso a voltajes más bajos es lo suficientemente funcional como para soportar una capacidad extrema de batería.
Principalmente, las baterías de iones de litio solo son químicamente estables dentro de un pequeño rango de voltaje de 2,3 V a 4,3 V. En ambos extremos de este rango es necesaria cierta conciliación para los términos de vida útil. Prácticamente, un límite superior de 4,2 V se considera aceptable mientras que se recomienda 4,1 V para una vida prolongada.
Baterías de litio convencionales que se componen de varias celdas conectadas en serie mantenerse dentro de los límites de voltaje a través de complementos electrónicos como equilibradores , ecualizadores o limitadores de voltaje precisos.
La complejidad de estos circuitos aumenta a medida que aumentan las corrientes de carga, lo que resulta en pérdidas de potencia adicionales. Para los usuarios, estos dispositivos de carga no son demasiado preferidos, ya que preferirían celdas que puedan soportar una descarga profunda.
Además, a los usuarios también les gustaría un amplio rango de temperatura y la posibilidad de una carga rápida. Todos estos ponen la nano-tecnología FePO4LiFePO basado4las células se convierten en las favoritas en la innovación de las baterías de iones de litio.
Conclusiones preliminares
Debido a sus elaboradas curvas de voltaje de descarga planas que anclan la ejecución de aplicaciones industriales de alta corriente, el LiFePO4o el FePO4Las células de iones de litio de cátodo son muy deseables.
No solo tienen una densidad de energía sustancialmente mayor que las celdas de iones de litio convencionales, sino también una densidad de potencia extremadamente alta.
La combinación de baja resistencia interna y bajo peso es un buen augurio para las celdas de reemplazo que dependen del níquel o el plomo en aplicaciones de alta potencia.
Por lo general, las celdas no pueden soportar una descarga continua a 30 ° C sin experimentar un aumento peligroso de temperatura. Esto es una desventaja porque no querría que una celda de 2,3 Ah se descargue a 70 A en solo dos minutos. En este tipo de aplicaciones, el usuario obtiene opciones más amplias que las tradicionales celdas de litio.
Por otro lado, existe una demanda continua de una carga más rápida, especialmente si la duración de la carga se puede reducir drásticamente. Probablemente esta sea una de las razones por las que LiFePO4celdas está disponible en martillos perforadores profesionales de 36 V (celdas de la serie 10).
Las pilas de litio se utilizan mejor en automóviles híbridos y ecológicos. Usando solo cuatro FePO4celdas (13,2 V) en un paquete de baterías rinde un 70% menos de peso que una batería de plomo-ácido. El ciclo de vida mejorado del producto y la energía significativamente mayor además de las densidades de potencia han apoyado el desarrollo de vehículo híbrido tecnología principalmente en vehículos de emisión cero.
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