בעוד שלסוללות Li-Ion ו- Lithium אלקטרוליט פולימר (LiPo) יש צפיפות אנרגיה ללא תחרות, סוללות מבוססות ליתיום יקרות לייצור וזקוקות לטיפול מוקפד יחד עם טעינה זהירה.
עם התקדמות הננוטכנולוגיה, תהליך הייצור של אלקטרודת הקתודה של סוללות אלה זכה לשיפור משמעותי.
פריצת ה- LiFePO העומדת על בסיס ננו-טכנולוגיה4תאים מתקדמים יותר מתאי הליון-יון או הליפו המסורתיים.
בואו ללמוד עוד:
מה זה LiFePO4סוֹלְלָה
סוללת פוספט הברזל ליתיום (LiFePO4סוללה) או סוללת LFP (ליתיום פרופוספט), היא סוג של סוללת ליתיום-יון המעסיקה את LiFePO4כחומר הקתודה (בתוך הסוללות הקתודה הזו מהווה את האלקטרודה החיובית), ואלקטרודת פחמן גרפיט בעלת תמיכה מתכתית היוצרת את האנודה.
צפיפות האנרגיה של LiFePO4הוא קטן יותר בהשוואה לכימיה הקונבנציונאלית של תחמוצת הליתיום קובלט (LiCoO 2), כמו כן הוא כולל מתח עבודה קטן יותר.
החיסרון החשוב ביותר של LiFePO4הוא המוליכות החשמלית המופחתת שלו. כתוצאה מכך, כל אחד מ- LiFePO4קתודות בחשבון הן למעשה LiFePO4/ ג
בגלל עלויות זולות יותר, רעילות מינימלית, ביצועים שצוינו במדויק, יציבות נרחבת וכו 'LiFePO4הפך פופולרי במספר יישומים מבוססי רכב, יישומים נייחים בקנה מידה שימושי, וגם ביישומי ממיר, ממירים.
היתרונות של LiFePO4סוֹלְלָה
תאי הננו פוספט לוקחים את היתרונות של תאי ליתיום מסורתיים וממזגים אותם עם היתרונות של תרכובות על בסיס ניקל. כל אלה מתרחשים מבלי לחוות את החסרונות של אף אחד מהצדדים.
אידיאלים אלה סוללות NiCd יש כמה הטבות כמו:
- בטיחות - הם אינם דליקים ולכן אין צורך במעגל הגנה.
- חזקים - לסוללות חיי מחזור גבוהים ושיטת טעינה סטנדרטית.
- סובלנות גבוהה לעומסים כבדים וטעינה מהירה.
- יש להם מתח פריקה קבוע (עקומת פריקה שטוחה).
- מתח תא גבוה ופריקה עצמית נמוכה
- הספק מעולה וצפיפות אנרגיה קומפקטית
ההבדל בין LiFePO4וסוללת Li-Ion
מוּסכָּם תאי ליתיום מצוידים במתח מינימלי של 3.6 וולט ומתח טעינה של 4.1 וולט. יש הבדל של 0.1 וולט בשני המתחים הללו אצל יצרנים שונים. זה ההבדל העיקרי.
לתאי הננו פוספט יש מתח נומינלי של 3.3 וולט ומתח טעון מדוכא של 3.6 וולט. הקיבולת הרגילה של 2.3 אה נפוצה למדי כאשר הם מוגדרים כנגד קיבולת 2.5 או 2.6 אה המוצעים על ידי תאי Li-Ion סטנדרטיים.
ההבדל הבולט יותר הוא במשקל. משקל תא הננו פוספט הוא 70 גרם בלבד ואילו מקבילו, התא של סוני או Panasonic Li-Ion משקל של 88 גרם ו- 93 גרם בהתאמה.
הסיבה העיקרית לכך מוצגת באיור 1 כאשר המעטפת של תא הננו פוספט המתקדם עשויה מאלומיניום ולא מפלדה.
בנוסף, זה נושא יתרון נוסף על פני התאים הקונבנציונליים שכן אלומיניום טוב יותר בשיפור הולכת החום מהתא.
עיצוב חדשני נוסף הוא המעטפת המהווה את המסוף החיובי של התא. הוא בנוי בשכבה דקה של חומר פרומגנטי המהווה את המגעים האמיתיים.
מפרט טעינה / פריקה ועבודה
כדי למנוע נזק מוקדם לסוללה, אנו ממליצים להחיל את זרם הטעינה / מתח המקסימלי המותר, למקרה שתצטרך לאמת את המפרט מגליון הנתונים.
הניסוי הקטן שלנו גילה את תכונות הסוללה שהשתנו. בכל מחזור טעינה / פריקה, רשמנו ירידה בקיבולת בסביבות 1 מיליאמפר לשעה (0.005%) מהקיבולת המינימלית.
בהתחלה ניסינו לחייב את LiFePO שלנו4תא במלואו 1 צלזיוס (2.3 א) והגדר את ערך הפריקה על 4 צלזיוס (9.2 א). למרבה הפלא, לאורך כל רצף הטעינה לא חלה עלייה בטמפרטורת התא. עם זאת, במהלך הפריקה, הטמפרטורה עלתה מ 21 מעלות צלזיוס ל 31 מעלות צלזיוס.
בדיקת הפריקה למשך 10 צלזיוס (23 א ') עברה היטב עם עליית טמפרטורת תאים רשומה של 49 מעלות צלזיוס. ברגע שמתח התא הופחת ל -4 וולט (נמדד בעומס), הסוללה סיפקה מתח פריקה ממוצע (אום) של 5.68 וולט או 2.84 וולט על כל תא. צפיפות האנרגיה חושבה להיות 94 Wh / kg.
באותו טווח גודל, תא הסוני 26650VT מציג מתח ממוצע גבוה יותר של 3.24 וולט בפריקה של 10 צלזיוס עם צפיפות אנרגיה נמוכה יותר של 89 וואט / ק'ג.
זה נמוך מ- LiFePO4צפיפות התא. ניתן לייחס את ההבדל לירידה במשקל התא. אבל, ה- LiFePO4לתאים יש ביצועים נמוכים משמעותית מתאי LiPo.
האחרון מוחל לעתים קרובות על מעגלי דוגמנות ויש להם מתח פריקה ממוצע של 3.5 וולט ומעלה ב -10 צלזיוס. מבחינת צפיפות האנרגיה, לתאי ה- LiPo יש גם יד עליונה בטווחים שבין 120 וואט / ק'ג ל -170 וואט / ק'ג. .
בבדיקה הבאה שלנו טעינו את ה- LiFePO במלואו4תאים ב -1 צלזיוס וקירר אותם מאוחר יותר ל -8 מעלות צלזיוס. הפריקה שלאחר מכן ב -10 צלזיוס אירעה בטמפרטורת החדר שהיא סביב 23 מעלות צלזיוס.
טמפרטורת פני השטח של התאים עלתה ל- 9 מעלות צלזיוס לאחר מכן. ובכל זאת, הטמפרטורה הפנימית של התא בטח הייתה נמוכה משמעותית אם כי מדידתו הישירה לא הייתה אפשרית.
באיור 2, ניתן לראות את מתח המסוף (הקו האדום) של התאים המקוררים שצללו בתחילת הדרך. עם עליית הטמפרטורה, היא חזרה לאותה רמה כאילו הבדיקה נערכה עם התאים בטמפרטורת הסביבה.
באופן מפתיע, ההבדל בטמפרטורה הסופית הוא נמוך (47 מעלות צלזיוס לעומת 49 מעלות צלזיוס). הסיבה לכך היא שהתנגדות פנימית של התאים תלויה בטמפרטורה. כלומר כאשר התאים קרים (טמפרטורה נמוכה), כוח משמעותי יותר מתפוגג מבפנים.
הבדיקה הבאה הייתה קשורה לזרם הפריקה שם הוא עלה ל 15 צלזיוס (34.5 A), התאים הציגו יותר מהקיבולת המינימלית שלהם כאשר הטמפרטורה עלתה ל -53 מעלות צלזיוס מ- 23 מעלות צלזיוס.
בדיקת קיבולת זרם קיצונית של LiFePO4תאים
הראינו לך תצורת מעגלים פשוטה באיור 3. השתמשנו במעגל התנגדות נמוך כדי למדוד את רמות הזרם השיא.
השילוב של התנגדויות כולל נגד הנגד 1 mΩ, ההתנגדות המובנית של הכיור הנוכחי של 100 A ושותפיו (התנגדות כבלים והתנגדות מגע במחבר MPX).
ההתנגדות הנמוכה הקיצונית מנעה מהפריקה של מטען יחיד לעבור יותר מ -65 A.
לכן ניסינו להאציל את מדידות הזרם הגבוה באמצעות שני תאים בסדרה כמו בעבר. בשל כך נוכל למדוד את המתח בין התאים באמצעות מודד.
הכיור הנוכחי בניסוי זה עשוי היה להיות עמוס יתר על המידה בגלל הזרם המדורג של התא 120 A. על ידי הגבלת היקף ההערכה, פיקחנו על העלייה בטמפרטורה ב 15 C פריקה.
זה הראה שזה לא מתאים לבדוק את התאים בבת אחת בקצב הפריקה הרציף המדורג שלהם של 30 C (70 A).
ישנן עדויות משמעותיות כי טמפרטורת פני התא של 65 מעלות צלזיוס במהלך הפריקה היא הגבול העליון לבטיחות. אז בנינו את לוח הזמנים להפרשות.
ראשית, בשעה 69 A (30 C) התאים משוחררים למשך 16 שניות. לאחר מכן, אחריו הופיעו מרווחי 'התאוששות' לסירוגין של 11.5 A (5 C) למשך חצי דקה.
לאחר מכן היו פעימות של 10 שניות ב 69 A. לבסוף, כאשר הושג מתח הפריקה המינימלי או הטמפרטורה המקסימלית המותרת, הסתיימה הפריקה. איור 4 מתאר את התוצאות שהושגו.
לאורך מרווחי העומס הגבוהים, מתח המסוף ירד במהירות, מה שמייצג שיוני הליתיום בתוך התאים הגבילו את התנועה האיטית.
ובכל זאת, התא משתפר במהירות במרווחי העומס הנמוך. למרות שהמתח נופל לאט עם פריקת התא, ייתכן שתמצא ירידות מתח פחות מדויקות על ידי העומסים הגבוהים יותר, ככל שטמפרטורת התא עולה.
זה מאמת כיצד הטמפרטורה תלויה בהתנגדות הפנימית של התא.
רשמנו התנגדות פנימית ל DC להיות בערך 11 mΩ (גליון הנתונים מציג 10 mΩ) כאשר התא משוחרר למחצה.
כשהתא השתחרר לחלוטין, הטמפרטורה עלתה ל -63 מעלות צלזיוס, מה שחושף אותו לסיכוני בטיחות. הסיבה לכך היא שאין קירור נוסף לתאים ולכן עצרנו מלהמשיך לבדיקות עם פולסים בעלי עומס גבוה יותר.
הסוללה נתנה תפוקה של 2320 מיליאמפר / שעה בבדיקה זו שהייתה גדולה מהקיבולת הנומינלית.
עם הבדל מרבי בין מתח התאים ב- 10 mV, ההתאמה ביניהם הייתה יוצאת מן הכלל לאורך כל הבדיקה.
הפריקה בעומס מלא נעצרה כאשר מתח המסוף הגיע ל -1 וולט לכל תא.
כעבור דקה ראינו התאוששות של מתח מעגל פתוח 2.74 וולט על כל אחד מהתאים.
מבחן טעינה מהיר
בדיקות טעינה מהירות נערכו בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס (9.2 א ') מבלי לשלב איזון אלקטרוני, אך בדקנו ללא הרף את מתח התאים הבודד.
כשמשתמש סוללות עופרת , אנו יכולים להגדיר את זרם הטעינה הראשוני רק בגלל המתח המרבי והמוגבל שמספק המטען.
כמו כן, ניתן לכוון את זרם הטעינה רק לאחר שמתח התא עלה לנקודה בה מתחיל זרם המטען להפחית (זרם קבוע / טעינת מתח קבוע).
בניסוי שלנו עם LiFePO4, זה קורה לאחר 10 דקות, כאשר משך הזמן מופחת על ידי השפעת המחלף במונה.
אנו יודעים שהתא טעון 97% או יותר מהקיבולת הנומינלית שלו לאחר שחלפו 20 דקות.
יתר על כן, זרם המטען בשלב זה ירד ל 0.5 A. כתוצאה, מצב 'מלא' של התאים ידווח על ידי מטען מהיר .
לאורך כל תהליך הטעינה המהיר, מתח התאים לפעמים נע מעט זה מזה, אך לא מעבר ל -20 mV.
אך במשך כל התהליך, התאים סיימו להיטען במקביל.
כאשר אנו חווים טעינה מהירה, התאים נוטים להתחמם לא מעט, כשהטמפרטורה מעט מתעכבת על זרם הטעינה.
ניתן לייחס זאת לאובדן בהתנגדות הפנימית של התאים.
זה מהותי להקפיד על אמצעי בטיחות בעת טעינת LiFePO4ולא מעבר למתח הטעינה המוצע שלו 3.6 וולט.
ניסינו להתגנב מעט וניסינו 'להעמיס יתר על המידה' על התאים במתח מסוף של 7.8 וולט (3.9 וולט לתא).
לא מומלץ בכלל לחזור על זה בבית.
אמנם לא הייתה התנהגות מוזרה כמו עישון או נזילה וגם מתח התאים היה כמעט שווה, אך התוצאה הכוללת לא נראתה מועילה מדי.
- הפריקה של 3 C סיפקה תוספת של 100 מיליאמפר / שעה ומתח הפריקה הממוצע היה גבוה יחסית.
- מה שאנו אומרים לומר כי עומס יתר גורם למהפך קטן בצפיפות האנרגיה מ -103.6 Wh / kg ל -104.6 Wh / kg.
- עם זאת, לא כדאי לסבול את הסיכונים ואולי להכניס את חיי התאים לנזק קבוע.
כימיה והערכות סוללות
הרעיון של יישום FePO4ננוטכנולוגיה יחד עם כימיה של סוללות ליתיום היא להעלות את שטח הפנים של האלקטרודות שעליהן יכולות להתרחש תגובות.
יש מקום לחדשנות עתידית באנודת הגרפיט (מסוף שלילי) נראה מעונן, אך לגבי הקתודה ישנה התקדמות משמעותית.
בתרכובות הקתודה (בדרך כלל תחמוצות) של מתכות מעבר משמשים ללכידת יונים. מתכות כמו מנגן, קובלט וניקל המשמשות קתודות היו בייצור המוני.
יתר על כן, לכל אחד מהם היתרונות והחסרונות שלו. היצרן בחר בברזל, ובמיוחד בפוספט ברזל (FePO4) בו גילו חומר קתודי שגם במתח נמוך יותר פונקציונלי מספיק כדי לסבול קיבולת סוללה קיצונית.
בעיקר, סוללות Li-Ion יציבות כימית רק בטווח מתח זעיר של 2.3 V עד 4.3 V. בשני קצוות הטווח הזה יש צורך בפשרה מסוימת לתנאי חיי השירות. מעשית, גבול עליון של 4.2 וולט נחשב למקובל ואילו 4.1 וולט מומלץ לכל החיים.
סוללות ליתיום קונבנציונליות המורכבות מ כמה תאים המחוברים בסדרה להישאר בגבולות המתח באמצעות תוספות אלקטרוניות כמו מאזנים , אקולייזרים או מגבלי מתח מדויקים.
המורכבות של מעגלים אלה גוברת ככל שזרמי הטעינה גדלים וכתוצאה מכך הפסדי הספק נוספים. עבור המשתמשים, התקני הטעינה הללו אינם עדיפים מדי מכיוון שהם מעדיפים תאים שיכולים לסבול פריקה עמוקה.
יתר על כן, משתמשים ירצו גם טווח טמפרטורות רחב ואפשרות לטעינה מהירה. כל אלה מציבים את FePO בטכנולוגיית הננו4LiFePO מבוסס4תאים הופכים למועדפים בחדשנות של סוללות Li-Ion.
מסקנות ראשוניות
בגלל עקומות המתח הפרוקות השטוחות שעוגנות לביצוע יישומים תעשייתיים בעלי זרם גבוה, ה- LiFePO4או ה- FePO4תאי Li-Ion של קתודה רצוי מאוד.
לא רק שיש להם צפיפות אנרגיה משמעותית יותר מתאי Li-Ion קונבנציונליים, אלא גם צפיפות הספק גבוהה במיוחד.
השילוב של עמידות פנימית נמוכה ומשקל נמוך מבשר טובות לתאים החלפיים בהתאם לניקל או עופרת ביישומי הספק גבוה.
בדרך כלל, תאים אינם יכולים לסבול פריקה רציפה בטמפרטורה של 30 מעלות מבלי לחוות עליית טמפרטורה מסוכנת. זה חסרון מכיוון שלא היית רוצה שתא של 2.3 אה יפרוק ב 70 A תוך שתי דקות בלבד. ביישומים מסוג זה, המשתמש מקבל אפשרויות רחבות יותר מתאי ליתיום מסורתיים.
מצד שני, יש דרישה רציפה לטעינה מהירה יותר, במיוחד אם ניתן להפחית באופן דרסטי את משך הטעינה. כנראה שזו אחת הסיבות לכך ש- LiFePO4תאים זמינים במקדחות פטיש מקצועיות של 36 וולט (10 תאי סדרה).
תאי ליתיום נפרסים בצורה הטובה ביותר ברכבים היברידיים וידידותיים לסביבה. באמצעות ארבע FePO בלבד4תאים (13.2 וולט) בסוללה מניבים משקל נמוך ב -70% מסוללת עופרת. מחזור חיי מוצר משופר ואנרגיה גבוהה משמעותית בנוסף לצפיפות הספק תמכו בפיתוח רכב היברידי טכנולוגיה בעיקר ברכבי אפס פליטה.
קודם: מעגל נהג מנורת תקרה הבא: כיצד להכין תאי שמש רגישים לצבע או תא סולארי מתה פירות
