LiFePO4 배터리 충전 / 방전 사양, 장점 설명

리튬 이온 및 리튬 폴리머 전해질 (LiPo) 배터리는 비교할 수없는 에너지 밀도를 보유하고 있지만 리튬 기반 배터리는 생산 비용이 많이 들고 신중한 충전과 함께 세심한 취급이 필요합니다.

나노 기술의 발전과 함께 이러한 배터리 용 음극 전극의 제조 공정이 크게 개선되었습니다.

나노 기술 기반 고부하 LiFePO의 돌파구₄전지는 기존의 Li-ion 또는 Lipo 전지보다 더 발전했습니다.

더 알아 보자 :

LiFePO는 무엇입니까₄배터리

리튬 인산 철 배터리 (LiFePO₄배터리) 또는 LFP 배터리 (철인 산 리튬)는 리튬 이온 배터리 LiFePO를 사용하는₄음극 재료 (배터리 내부에이 음극이 양극을 구성 함) 및 양극을 형성하는 금속 지지체를 갖는 흑연 탄소 전극.

LiFePO의 에너지 밀도₄기존의 리튬 코발트 산화물 (LiCoO 2) 화학 물질에 비해 더 작을뿐만 아니라 작동 전압도 더 작습니다.

LiFePO의 가장 중요한 단점₄감소 된 전기 전도도입니다. 결과적으로 모든 LiFePO는₄고려되는 음극은 실제로 LiFePO₄/ 씨.

저렴한 비용, 최소 독성, 정확하게 지정된 성능, 광범위한 안정성 등으로 인해 LiFePO₄차량 기반 애플리케이션, 유틸리티 스케일 고정 애플리케이션 및 인버터, 컨버터 애플리케이션에서 인기를 얻고 있습니다.

LiFePO의 장점₄배터리

나노 인산염 셀은 기존 리튬 셀의 장점을 니켈 기반 화합물의 장점과 결합합니다. 이 모든 것은 양쪽의 단점을 경험하지 않고 발생합니다.

이러한 이상 NiCd 배터리 다음과 같은 몇 가지 특전이 있습니다.

• 안전 – 불연성이므로 보호 회로가 필요하지 않습니다.
• 견고 함 – 배터리의 수명이 길고 표준 충전 방법이 있습니다.
• 고부하 및 고속 충전에 대한 높은 내성.
• 방전 전압이 일정합니다 (평탄한 방전 곡선).
• 높은 셀 전압 및 낮은 자체 방전
• 뛰어난 출력과 컴팩트 한 에너지 밀도

LiFePO의 차이점₄및 리튬 이온 배터리

전통적인 리튬 이온 전지 3.6V의 최소 전압과 4.1V의 충전 전압이 장착되어 있습니다.이 두 전압 모두 다양한 제조업체에서 0.1V 차이가 있습니다. 이것이 주요 차이점입니다.

나노 포스페이트 셀은 3.3V의 공칭 전압과 3.6V의 억제 된 충전 전압을 가지고 있습니다. 표준 리튬 이온 셀에서 제공하는 2.5 또는 2.6Ah 용량과 비교했을 때 2.3Ah의 정상 용량은 매우 일반적입니다.

더 두드러진 차이점은 무게에 있습니다. 나노 인산염 셀의 무게는 70g에 불과한 반면 소니 또는 파나소닉 리튬 이온 셀의 무게는 각각 88g과 93g입니다.

이에 대한 주된 이유는 그림 1에 나와 있습니다. 여기서 고급 나노 인산염 셀의 케이스는 강판이 아닌 알루미늄으로 만들어졌습니다.

또한 알루미늄이 셀의 열 전도를 개선하는 데 더 좋기 때문에 기존 셀에 비해 또 다른 이점이 있습니다.

또 하나의 혁신적인 디자인은 셀의 양극 단자를 형성하는 케이싱입니다. 실제 접점을 형성하는 얇은 층의 강자성 재료로 제작되었습니다.

충전 / 방전 사양 및 작동

배터리의 조기 손상을 방지하려면 데이터 시트에서 사양을 확인해야하는 경우 허용되는 최대 충전 전류 / 전압을 적용하는 것이 좋습니다.

우리의 작은 실험에서 배터리의 특성이 변경된 것으로 나타났습니다. 매 충전 / 방전주기에서 최소 용량의 약 1mAh (0.005 %)의 용량 감소를 기록했습니다.

처음에 우리는 LiFePO를 청구하려고했습니다.₄전체 1C (2.3A)에서 셀을 제거하고 방전 값을 4C (9.2A)로 설정합니다. 놀랍게도 충전 과정 내내 셀 온도가 상승하지 않았습니다. 그러나 방전 중에 온도가 21 ° C에서 31 ° C로 상승했습니다.

10C (23A)에 대한 방전 테스트는 49 ° C의 기록 된 셀 온도 상승으로 잘 진행되었습니다. 셀 전압이 4V (부하 상태에서 측정 됨)로 감소하면 배터리는 각 셀에서 5.68V 또는 2.84V의 평균 방전 전압 (Um)을 제공했습니다. 에너지 밀도는 94Wh / kg으로 계산되었습니다.

동일한 크기 범위에서 Sony 26650VT 셀은 89Wh / kg의 낮은 에너지 밀도로 10C 방전시 3.24V의 더 높은 평균 전압을 제공합니다.

이것은 LiFePO보다 낮습니다.₄세포의 밀도. 차이는 세포 무게 감소 때문일 수 있습니다. 하지만 LiFePO는₄셀은 LiPo 셀보다 성능이 훨씬 낮습니다.

후자는 모델링 회로에 자주 적용되며 10 ° C에서 평균 방전 전압이 3.5V 이상입니다. 에너지 밀도 측면에서 LiPo 셀은 120Wh / kg ~ 170Wh / kg 범위에서 우위를 차지합니다. .

다음 검사에서는 LiFePO를 완전히 충전했습니다.₄세포를 1 ° C에서 나중에 -8 ° C로 냉각했습니다. 이후 10 ° C에서의 방전은 약 23 ° C의 실온에서 발생했습니다.

그 후 세포의 표면 온도가 9 ° C로 상승했습니다. 그래도 직접 측정 할 수 없었지만 셀의 내부 온도는 상당히 낮아야합니다.

그림 2에서 처음에 급강하 된 냉각 셀의 단자 전압 (빨간색 선)을 볼 수 있습니다. 온도가 올라감에 따라 상온에서 셀로 테스트를 수행 한 것과 같은 수준으로 돌아 왔습니다.

놀랍게도 최종 온도의 차이가 낮습니다 (47 ° C 대 49 ° C). 이는 셀의 내부 저항이 온도에 따라 달라지기 때문입니다. 즉, 셀이 차가울 때 (저온) 내부적으로 더 많은 전력이 소비됩니다.

다음 검사는 방전 전류가 15 ° C (34.5A)로 증가한 방전 전류와 관련이 있었으며, 온도가 23 ° C에서 53 ° C로 상승함에 따라 셀은 최소 용량 이상을 나타 냈습니다.

LiFePO의 극한 전류 용량 테스트₄세포

그림 3에 간단한 회로 구성이 나와 있습니다. 피크 전류 레벨을 측정하기 위해 낮은 저항 회로를 사용했습니다.

1mΩ 션트 저항, 100A 전류 싱크의 내장 저항 및 관련 요소 (MPX 커넥터의 케이블 저항 및 접촉 저항)를 포함한 저항 조합.

극도로 낮은 저항은 단일 충전의 방전이 65A를 초과하는 것을 방지했습니다.

따라서 우리는 이전과 같이 직렬로 두 개의 셀을 사용하여 고전류 측정을 위임하려고 시도했습니다. 그 때문에 멀티 미터를 사용하여 셀 사이의 전압을 측정 할 수 있습니다.

이 실험에서 전류 싱크는 셀의 정격 전류 120A로 인해 과부하되었을 수 있습니다. 평가 범위를 제한하여 15C 방전에서 온도 상승을 모니터링했습니다.

이것은 30C (70A)의 정격 연속 방전 속도에서 한 번에 셀을 테스트하는 것이 적합하지 않음을 보여줍니다.

방전 중 셀 표면 온도가 65 ° C 인 것이 안전의 상한이라는 실질적인 증거가 있습니다. 그래서 우리는 퇴원 일정을 작성했습니다.

먼저 69A (30C)에서 셀이 16 초 동안 방전됩니다. 그런 다음 30 분 동안 11.5A (5C)의 '복구'간격을 번갈아 가며 이어졌습니다.

그 후 69A에서 10 초 펄스가 발생했습니다. 마지막으로 최소 방전 전압 또는 최대 허용 온도에 도달하면 방전이 종료되었습니다. 그림 4는 얻은 결과를 보여줍니다.

높은 부하 간격 동안 단자 전압이 빠르게 감소하여 셀 내부의 리튬 이온이 제한되고 느린 움직임을 나타냅니다.

그래도 셀은 저 부하 간격 동안 빠르게 개선됩니다. 셀이 방전됨에 따라 전압이 서서히 떨어지지 만 셀 온도가 증가함에 따라 부하가 높을수록 전압 강하 정확도가 상당히 떨어질 수 있습니다.

이것은 온도가 셀의 내부 저항에 어떻게 의존하는지 확인합니다.

DC에 대한 내부 저항은 셀이 절반 방전되었을 때 약 11mΩ (데이터 시트에 10mΩ 표시)로 기록되었습니다.

전지가 완전히 방전되었을 때 온도가 63 ° C로 상승하여 안전 위험에 노출되었습니다. 이는 셀에 대한 추가 냉각이 없기 때문에 더 긴 고부하 펄스로 테스트를 진행하는 것을 중단했습니다.

배터리는이 테스트에서 공칭 용량보다 큰 2320mAh의 출력을 제공했습니다.

10mV에서 셀 전압 사이의 최대 차이로 테스트 내내 이들 사이의 매칭이 탁월했습니다.

최대 부하에서의 방전은 단자 전압이 셀당 1V에 도달했을 때 중단되었습니다.

1 분 후 각 셀에서 2.74V 개방 회로 전압이 회복되는 것을 확인했습니다.

빠른 충전 테스트

고속 충전 테스트는 전자 밸런서를 통합하지 않고 4C (9.2A)에서 수행되었지만 개별 셀 전압을 지속적으로 확인했습니다.

사용할 때 납산 배터리 , 충전기에서 제공하는 최대 및 제한 전압으로 인해 초기 충전 전류 만 설정할 수 있습니다.

또한 충전 전류는 충전 전류가 감소하기 시작하는 지점 (정전류 / 정전압 충전)까지 셀 전압이 상승한 후에 만 ​​설정할 수 있습니다.

LiFePO를 사용한 실험에서₄, 이것은 미터의 션트 효과에 의해 지속 시간이 감소 된 10 분 후에 발생합니다.

20 분이 경과 한 후 셀이 공칭 용량의 97 % 이상으로 충전된다는 것을 알고 있습니다.

또한이 단계의 충전 전류는 0.5A로 떨어졌습니다. 결과적으로 셀의 '충전'상태는 빠른 충전기 .

고속 충전 과정에서 셀 전압은 때때로 서로 조금씩 움직 였지만 20mV를 넘지는 않았습니다.

그러나 전체 프로세스에서 셀은 동시에 충전을 완료했습니다.

급속 충전을 경험할 때, 셀은 온도가 충전 전류를 다소 지연시키는 상태로 상당히 예열되는 경향이 있습니다.

이것은 세포의 내부 저항 손실 때문일 수 있습니다.

LiFePO를 충전 할 때 안전 예방 조치를 따르는 것이 기본입니다.₄권장 충전 전압 3.6V를 넘지 않습니다.

우리는 잠깐 지나가고 7.8V (셀당 3.9V)의 단자 전압으로 셀을 '과충전'하려고했습니다.

집에서 이것을 반복하는 것은 전혀 권장되지 않습니다.

흡연이나 누수와 같은 이상한 행동은 없었고 셀 전압도 거의 같았지만 전반적인 결과는 그리 유익하지 않은 것으로 보입니다.

• 3C 방전은 추가로 100mAh를 공급했고 평균 방전 전압은 상대적으로 더 높았습니다.
• 우리가 말하는 것은 과충전으로 인해 에너지 밀도가 103.6 Wh / kg에서 104.6 Wh / kg으로 약간 상승합니다.
• 그러나 위험을 견디고 세포의 수명을 영구적으로 손상시키는 것은 가치가 없습니다.

배터리 화학 및 평가

FePO 적용 개념₄나노 기술과 리튬 배터리 화학은 반응이 일어날 수있는 전극의 표면적을 높이는 것입니다.

흑연 양극 (음극)의 미래 혁신을위한 여지는 흐릿 해 보이지만 음극에 대해서는 상당한 진전이 있습니다.

음극에서는 전이 금속의 화합물 (일반적으로 산화물)이 이온 포획에 사용됩니다. 음극에 사용되는 망간, 코발트 및 니켈과 같은 금속이 대량 생산되고 있습니다.

또한, 그들 각각은 장단점이 있습니다. 제조업체는 철, 특히 철인 산철 (FePO4)을 선택하여 낮은 전압에서도 극도의 배터리 용량을 견딜 수있는 기능을하는 양극 물질을 발견했습니다.

주로 Li-Ion 배터리는 2.3V ~ 4.3V의 작은 전압 범위 내에서만 화학적으로 안정적입니다.이 범위의 양쪽 끝에서 서비스 수명을 위해 일정한 조정이 필요합니다. 실제로는 4.2V의 상한이 허용되는 것으로 간주되고 수명 연장을 위해서는 4.1V가 권장됩니다.

다음으로 구성된 기존 리튬 배터리 직렬로 연결된 여러 셀 다음과 같은 전자 추가 기능을 통해 전압 한계 내에서 유지 밸런서 , 이퀄라이저 또는 정밀 전압 제한 기.

이러한 회로의 복잡성은 충전 전류가 증가함에 따라 추가 전력 손실을 초래합니다. 사용자에게 이러한 충전 장치는 심방 전을 견딜 수있는 셀을 선호하므로 그다지 바람직하지 않습니다.

또한 사용자는 넓은 온도 범위와 빠른 충전 가능성을 원합니다. 이 모든 것이 나노 기술 FePO를₄기반 LiFePO₄전지는 리튬 이온 배터리의 혁신에서 가장 선호되는 제품이되었습니다.

예비 결론

고전류 산업 응용 제품의 실행을 고정하는 정교하게 평평한 방전 전압 곡선 때문에 LiFePO₄또는 FePO₄-음극 리튬 이온 전지는 매우 바람직합니다.

기존 리튬 이온 전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높을뿐만 아니라 전력 밀도도 매우 높습니다.

낮은 내부 저항과 낮은 무게의 조합은 고전력 애플리케이션에서 니켈 또는 납에 따라 교체 셀에 적합합니다.

일반적으로 세포는 위험한 온도 상승없이 30 ° C에서 연속 방전을 견딜 수 없습니다. 2.3Ah 셀이 단 2 분 안에 70A에서 방전되는 것을 원하지 않기 때문에 이것은 불리합니다. 이러한 유형의 응용 분야에서 사용자는 기존 리튬 전지보다 더 넓은 옵션을 얻게됩니다.

반면에, 특히 충전 시간을 대폭 줄일 수있는 경우 더 빠른 충전에 대한 지속적인 요구가 있습니다. 아마도 이것이 LiFePO가₄셀은 36V (10 시리즈 셀) 전문 해머 드릴로 제공됩니다.

리튬 전지는 하이브리드 및 친환경 자동차에 가장 잘 배치됩니다. 4 개의 FePO 만 사용₄배터리 팩의 셀 (13.2V)은 납축 배터리보다 무게가 70 % 적습니다. 개선 된 제품 수명주기와 전력 밀도에 더해 훨씬 더 높은 에너지로 인해 하이브리드 차량 주로 무공해 차량에 적용됩니다.