Spécifications de charge / décharge de la batterie LiFePO4, avantages expliqués

Alors que les batteries au lithium-ion et à électrolyte polymère au lithium (LiPo) possèdent une densité d'énergie inégalée, les batteries au lithium sont coûteuses à produire et nécessitent une manipulation méticuleuse avec une charge prudente.

Avec les progrès de la nanotechnologie, le processus de fabrication de l'électrode cathodique pour ces batteries a connu une amélioration substantielle.

La percée du LiFePO haute charge basé sur la nanotechnologie₄Les cellules sont plus avancées que les cellules Li-ion ou Lipo traditionnelles.

Apprenons plus:

Qu'est-ce que LiFePO₄Batterie

La batterie lithium fer phosphate (LiFePO₄batterie) ou batterie LFP (ferrophosphate de lithium), est une forme de Batterie aux ions lithium qui emploie LiFePO₄en tant que matériau de la cathode (à l'intérieur des batteries, cette cathode constitue l'électrode positive), et une électrode en carbone graphite ayant un support métallique formant l'anode.

La densité d'énergie de LiFePO₄est plus petit que la chimie conventionnelle de l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO 2), et présente une tension de fonctionnement plus petite.

L'inconvénient le plus crucial de LiFePO₄est sa conductivité électrique réduite. En conséquence, chacun des LiFePO₄les cathodes en compte sont en réalité LiFePO₄/ C.

En raison de coûts moins chers, d'une toxicité minimale, de performances spécifiées avec précision, d'une stabilité étendue, etc. LiFePO₄est devenu populaire dans de nombreuses applications basées sur des véhicules, des applications stationnaires à échelle utilitaire, ainsi que dans des applications d'onduleur et de convertisseur.

Avantages de LiFePO₄Batterie

Les cellules nano phosphate prennent les avantages des cellules au lithium traditionnelles et les fusionnent avec les avantages des composés à base de nickel. Tout cela se produit sans éprouver les inconvénients de l'un ou l'autre côté.

Ces idéaux Batteries NiCd ont plusieurs avantages comme:

• Sécurité - Ils sont ininflammables, il n'y a donc pas besoin de circuit de protection.
• Robuste - Les batteries ont une durée de vie élevée et une méthode de charge standard.
• Haute tolérance aux charges lourdes et charge rapide.
• Ils ont une tension de décharge constante (une courbe de décharge plate).
• Tension de cellule élevée et faible auto-décharge
• Puissance supérieure et densité d'énergie compacte

Différence entre LiFePO₄et batterie Li-Ion

Conventionnel Cellules Li-ion sont équipés d'une tension minimale de 3,6 V et d'une tension de charge de 4,1 V. Il existe une différence de 0,1 V à ces deux tensions avec divers fabricants. C'est la principale différence.

Les cellules nano phosphate ont une tension nominale de 3,3 V et une tension chargée supprimée de 3,6 V. La capacité normale de 2,3 Ah est assez courante lorsqu'elle est opposée à la capacité de 2,5 ou 2,6 Ah offerte par les cellules Li-Ion standard.

La différence la plus marquée réside dans le poids. La cellule nano phosphate ne pèse que 70 g alors que son homologue, la cellule Li-Ion Sony ou Panasonic a un poids de 88 g et 93 g respectivement.

La raison principale en est illustrée à la figure 1, où le boîtier de la cellule nano phosphate avancée est en aluminium et non en tôle d'acier.

De plus, cela présente un autre avantage par rapport aux cellules conventionnelles car l'aluminium est meilleur pour améliorer la conduction thermique de la cellule.

Une autre conception innovante est le boîtier qui forme la borne positive de la cellule. Il est construit avec une fine couche de matériau ferromagnétique qui forme les vrais contacts.

Spécifications de charge / décharge et fonctionnement

Pour éviter tout dommage prématuré à la batterie, nous vous recommandons d'appliquer le courant / tension de charge maximum autorisé, au cas où vous auriez besoin de vérifier les spécifications de la fiche technique.

Notre petite expérience a révélé que les propriétés de la batterie avaient changé. À chaque cycle de charge / décharge, nous avons enregistré une baisse de capacité d'environ 1 mAh (0,005%) de la capacité minimale.

Au début, nous avons essayé de charger notre LiFePO₄cellule à 1 ° C maximum (2,3 A) et régler la valeur de décharge à 4 ° C (9,2 A). Étonnamment, tout au long de la séquence de charge, il n'y a pas eu d'augmentation de la température de la cellule. Cependant, lors du déchargement, la température est passée de 21 ° C à 31 ° C.

Le test de décharge à 10 ° C (23 A) s'est bien déroulé avec une élévation de température de cellule enregistrée de 49 ° C. Une fois la tension de la cellule réduite à 4 V (mesurée sous charge), la batterie a fourni une tension de décharge moyenne (Um) de 5,68 V ou 2,84 V sur chaque cellule. La densité d'énergie a été calculée à 94 Wh / kg.

Dans la même gamme de taille, la cellule Sony 26650VT présente une tension moyenne plus élevée de 3,24 V à 10 C de décharge avec une densité d'énergie inférieure de 89 Wh / kg.

C'est inférieur au LiFePO₄densité de la cellule. La différence peut être attribuée à une diminution du poids des cellules. Mais, le LiFePO₄les cellules ont des performances nettement inférieures à celles des cellules LiPo.

Ce dernier est fréquemment appliqué aux circuits de modélisation et ils ont une tension de décharge moyenne de 3,5 V ou plus à 10 C.En termes de densité d'énergie, les cellules LiPo ont également le dessus avec des gammes comprises entre 120 Wh / kg et 170 Wh / kg. .

Lors de notre prochain examen, nous avons complètement chargé le LiFePO₄cellules à 1 C et les a refroidies plus tard à -8 ° C. La décharge qui s'ensuit à 10 C se produit à la température ambiante qui est d'environ 23 ° C.

La température de surface des cellules avait augmenté à 9 ° C après cela. Pourtant, la température interne de la cellule devait être nettement inférieure bien que sa mesure directe n’ait pas été possible.

Sur la figure 2, vous pouvez voir la tension aux bornes (ligne rouge) des cellules refroidies plongées au début. Au fur et à mesure que la température montait, elle revenait au même niveau que si le test était effectué avec les cellules à température ambiante.

De manière surprenante, la différence de température finale est faible (47 ° C contre 49 ° C). En effet, la résistance interne des cellules dépend de la température. Cela signifie que lorsque les cellules sont froides (basse température), beaucoup plus de puissance est dissipée en interne.

L'examen suivant était lié au courant de décharge où il augmentait à 15 C (34,5 A), les cellules présentaient plus que leur capacité minimale alors que la température montait à 53 ° C à partir de 23 ° C.

Test de la capacité de courant extrême de LiFePO₄Cellules

Nous vous avons montré une configuration de circuit simple dans la figure 3. Nous avons utilisé un circuit à faible résistance pour mesurer les niveaux de courant de crête.

La combinaison de résistances comprenant la résistance shunt de 1 mΩ, la résistance intégrée du puits de courant 100 A et ses associés (résistances de câble et résistances de contact dans le connecteur MPX).

L'extrême faible résistance a empêché la décharge d'une seule charge de dépasser 65 A.

Par conséquent, nous avons tenté de déléguer les mesures de courant élevé en utilisant deux cellules en série comme auparavant. Pour cette raison, nous pourrions mesurer la tension entre les cellules à l'aide d'un multimètre.

Le puits de courant dans cette expérience peut avoir été surchargé en raison du courant nominal de la cellule de 120 A. En limitant l'étendue de notre évaluation, nous avons surveillé les élévations de température à une décharge de 15 C.

Cela a montré qu'il n'était pas approprié de tester les cellules en une seule fois à leur taux de décharge continu nominal de 30 C (70 A).

Il existe des preuves substantielles qu'une température de surface de la cellule de 65 ° C pendant la décharge est la limite supérieure de sécurité. Nous avons donc construit le calendrier de sortie résultant.

Tout d'abord, à 69 A (30 C), les cellules sont déchargées pendant 16 secondes. Ensuite, il a été suivi par une alternance d'intervalles de «récupération» de 11,5 A (5 C) pendant une demi-minute.

Après cela, il y avait des impulsions de 10 secondes à 69 A. Finalement, lorsque la tension de décharge minimale ou la température maximale admissible était atteinte, la décharge était terminée. La figure 4 illustre les résultats obtenus.

Pendant les intervalles de charge élevés, la tension aux bornes a chuté rapidement, ce qui signifie que les ions lithium à l'intérieur des cellules ont un mouvement limité et lent.

Pourtant, la cellule s'améliore rapidement pendant les intervalles de faible charge. Bien que la tension diminue lentement à mesure que la cellule est déchargée, vous pouvez trouver des chutes de tension beaucoup moins précises en raison des charges plus élevées, à mesure que la température de la cellule augmente.

Cela valide la façon dont la température dépend de la résistance interne de la cellule.

Nous avons enregistré une résistance interne au courant continu d'environ 11 mΩ (la fiche technique présente 10 mΩ) lorsque la cellule est à moitié déchargée.

Une fois la cellule complètement déchargée, la température est montée à 63 ° C, ce qui l'expose à des risques pour la sécurité. En effet, il n'y a pas de refroidissement supplémentaire pour les cellules, nous avons donc arrêté de procéder à des tests avec des impulsions à charge élevée plus longues.

La batterie a donné une sortie de 2320 mAh dans ce test qui était supérieure à la capacité nominale.

Avec une différence maximale entre les tensions des cellules à 10 mV, l'adaptation entre elles était exceptionnelle tout au long du test.

La décharge à pleine charge a été interrompue lorsque la tension aux bornes a atteint 1 V par élément.

Une minute plus tard, nous avons constaté une récupération de la tension en circuit ouvert de 2,74 V sur chacune des cellules.

Test de charge rapide

Des tests de charge rapide ont été réalisés à 4 C (9,2 A) sans intégrer d'équilibreur électronique, mais nous avons constamment vérifié les tensions individuelles des cellules.

Lors de l'utilisation batteries plomb-acide , nous ne pouvons régler le courant de charge initial qu'en raison de la tension maximale et limitée fournie par le chargeur.

De plus, le courant de charge ne peut être réglé qu'après que la tension de la cellule a augmenté jusqu'à un point où le courant de charge commence à diminuer (courant constant / charge à tension constante).

Dans notre expérience avec LiFePO₄, cela se produit après 10 minutes où la durée est réduite par l'effet du shunt dans le compteur.

Nous savons que la cellule est chargée à 97% ou plus de sa capacité nominale après 20 minutes.

De plus, le courant de charge à ce stade est tombé à 0,5 A. En conséquence, un état «plein» des cellules sera signalé par un chargeur rapide .

Tout au long du processus de charge rapide, les tensions des cellules se sont parfois un peu déplacées, mais pas au-delà de 20 mV.

Mais pour l'ensemble du processus, les cellules ont fini de se charger en même temps.

En cas de charge rapide, les cellules ont tendance à se réchauffer un peu, la température étant quelque peu en retard par rapport au courant de charge.

Cela peut être attribué à des pertes de résistance interne des cellules.

Il est fondamental de suivre les précautions de sécurité lors du chargement du LiFePO₄et pas au-delà de sa tension de charge suggérée de 3,6 V.

Nous avons essayé de nous faufiler un peu et avons tenté de «surcharger» les cellules avec une tension aux bornes de 7,8 V (3,9 V par cellule).

Il n'est pas du tout recommandé de répéter cela à la maison.

Bien qu'il n'y ait pas eu de comportement étrange tel que fumer ou fuir et que les tensions des cellules étaient également presque égales, le résultat global ne semblait pas trop bénéfique.

• La décharge 3 C a fourni 100 mAh supplémentaires et la tension de décharge moyenne était relativement plus élevée.
• Ce que nous voulons dire, c'est que la surcharge provoque une légère augmentation de la densité énergétique de 103,6 Wh / kg à 104,6 Wh / kg.
• Cependant, cela ne vaut pas la peine de supporter les risques et éventuellement de soumettre la vie des cellules à des dommages permanents.

Chimie et évaluations des batteries

Le concept d'application de FePO₄la nanotechnologie associée à une chimie de batterie au lithium consiste à élever la surface des électrodes sur laquelle des réactions peuvent avoir lieu.

Là, l'espace pour l'innovation future dans l'anode en graphite (borne négative) semble trouble, mais en ce qui concerne la cathode, il y a des progrès substantiels.

Au niveau de la cathode, des composés (généralement des oxydes) de métaux de transition sont utilisés pour la capture d'ions. Des métaux comme le manganèse, le cobalt et le nickel qui sont utilisés par les cathodes ont été produits en masse.

De plus, chacun d'eux a ses avantages et ses inconvénients respectifs. Le fabricant a opté pour le fer, en particulier le phosphate de fer (FePO4) dans lequel ils ont découvert un matériau de cathode qui, même à des tensions inférieures, est suffisamment fonctionnel pour supporter une capacité de batterie extrême.

Principalement, les batteries Li-Ion ne sont chimiquement stables que dans une plage de tension minuscule de 2,3 V à 4,3 V. Aux deux extrémités de cette plage, une certaine conciliation est nécessaire pour la durée de vie. En pratique, une limite supérieure de 4,2 V est considérée comme acceptable tandis que 4,1 V est recommandé pour une durée de vie prolongée.

Batteries au lithium conventionnelles constituées de plusieurs cellules connectées en série restez dans les limites de tension grâce à des add-ons électroniques comme équilibreurs , égaliseurs ou limiteurs de tension précis.

La complexité de ces circuits augmente à mesure que les courants de charge augmentent, ce qui entraîne des pertes de puissance supplémentaires. Pour les utilisateurs, ces appareils de charge ne sont pas trop préférables car ils préfèrent les cellules qui peuvent supporter une décharge profonde.

En outre, les utilisateurs souhaiteraient également une large plage de températures et la possibilité d'une charge rapide. Tout cela met la nano-technologie FePO₄basé LiFePO₄les cellules deviennent les favorites dans l'innovation des batteries Li-Ion.

Conclusions préliminaires

En raison de leurs courbes de tension de décharge extrêmement plates qui ancrent l'exécution d'applications industrielles à fort courant, le LiFePO₄ou le FePO₄Les cellules Li-Ion à cathode sont très souhaitables.

Non seulement ils ont une densité d'énergie nettement plus élevée que les cellules Li-Ion conventionnelles, mais aussi une densité de puissance extrêmement élevée.

La combinaison d'une faible résistance interne et d'un faible poids est de bon augure pour les cellules de remplacement dépendant du nickel ou du plomb dans les applications à haute puissance.

En règle générale, les cellules ne peuvent pas supporter une décharge continue à 30 C sans subir une élévation dangereuse de la température. Ceci est désavantageux car vous ne voudriez pas qu’une cellule de 2,3 Ah se décharge à 70 A en seulement deux minutes. Dans ce type d'applications, l'utilisateur dispose d'options plus larges que les piles au lithium traditionnelles.

D'un autre côté, il existe une demande continue pour une charge plus rapide, en particulier si la durée de charge peut être considérablement réduite. C'est probablement l'une des raisons pour lesquelles LiFePO₄cellules est disponible en marteaux perforateurs professionnels 36 V (cellules de la série 10).

Les cellules au lithium sont mieux déployées dans les automobiles hybrides et respectueuses de l'environnement. En utilisant seulement quatre FePO₄les cellules (13,2 V) d'un bloc-batterie produisent 70% moins de poids qu'une batterie au plomb-acide. L'amélioration du cycle de vie du produit et une énergie nettement plus élevée en plus des densités de puissance ont soutenu le développement de Véhicule hybride technologie en grande partie dans les véhicules à zéro émission.