LiFePO4 बैटरी चार्ज / निर्वहन विनिर्देशों, लाभ समझाया

जबकि ली-आयन और लिथियम पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट (LiPo) बैटरी में बेमिसाल ऊर्जा घनत्व होता है, लिथियम-आधारित बैटरियों का उत्पादन और सावधानीपूर्वक चार्जिंग के साथ-साथ सावधानीपूर्वक हैंडलिंग की आवश्यकता होती है।

नैनो टेक्नोलॉजी की प्रगति के साथ, इन बैटरियों के लिए कैथोड इलेक्ट्रोड की निर्माण प्रक्रिया में काफी सुधार हुआ है।

नैनो-आधारित उच्च-भार वाले LiFePO के माध्यम से विराम_४सेल पारंपरिक ली-आयन या लिपो कोशिकाओं की तुलना में अधिक उन्नत हैं।

आइए अधिक जानें:

LiFePO क्या है_४बैटरी

लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी (LiFePO)_४बैटरी) या LFP बैटरी (लिथियम फेरोफॉस्फेट), का एक रूप है लिथियम आयन बैटरी जो LiFePO को रोजगार देता है_४के रूप में कैथोड सामग्री (बैटरी के अंदर यह कैथोड सकारात्मक इलेक्ट्रोड का गठन करता है), और एक ग्रेफाइट कार्बन इलेक्ट्रोड में एक धातु समर्थन होता है जो एनोड बनाता है।

LiFePO की ऊर्जा घनत्व_४पारंपरिक लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO 2) रसायन विज्ञान की तुलना में छोटा है, साथ ही साथ एक छोटे से काम करने वाले वोल्टेज की सुविधा है।

LiFePO का सबसे महत्वपूर्ण नकारात्मक पहलू_४इसकी कम विद्युत चालकता है। नतीजतन, LiFePO में से हर एक_४खाते में कैथोड वास्तव में LiFePO में हैं_४/ सी।

सस्ती लागत, न्यूनतम विषाक्तता, सटीक निर्दिष्ट प्रदर्शन, व्यापक स्थिरता आदि के कारण LiFePO_४वाहन आधारित अनुप्रयोगों, उपयोगिता पैमाने पर स्थिर अनुप्रयोगों और इन्वर्टर, कनवर्टर अनुप्रयोगों की संख्या में लोकप्रिय हो गया है।

LiFePO के लाभ_४बैटरी

नैनो फॉस्फेट कोशिकाएं पारंपरिक लिथियम कोशिकाओं के पेशेवरों को ले जाती हैं और उन्हें निकल-आधारित यौगिकों के फायदे के साथ विलय कर देती हैं। ये सब किसी भी पक्ष के नुकसान का अनुभव किए बिना होता है।

ये आदर्श NiCd बैटरी कई भत्तों की तरह है:

• सुरक्षा - वे गैर-ज्वलनशील हैं इसलिए सुरक्षा सर्किट की कोई आवश्यकता नहीं है।
• मजबूत - बैटरी में एक उच्च चक्र जीवन और एक मानक चार्जिंग विधि है।
• भारी भार और तेजी से चार्ज करने के लिए उच्च सहिष्णुता।
• उनके पास एक निरंतर निर्वहन वोल्टेज (एक फ्लैट निर्वहन वक्र) है।
• उच्च सेल वोल्टेज और कम स्व-निर्वहन
• बेहतर शक्ति और कॉम्पैक्ट ऊर्जा घनत्व

LiFePO के बीच अंतर_४और ली-आयन बैटरी

पारंपरिक ली-आयन कोशिकाएं 3.6 V के एक न्यूनतम वोल्टेज और 4.1 V के एक चार्ज वोल्टेज से लैस हैं। विभिन्न निर्माताओं के साथ इन दोनों वोल्टेज में 0.1 V अंतर है। यह मुख्य अंतर है।

नैनो फॉस्फेट कोशिकाओं में 3.3 V का एक नाममात्र वोल्टेज और 3.6 V का एक दबा हुआ चार्ज वोल्टेज है। मानक ली-आयन कोशिकाओं द्वारा प्रस्तुत 2.5 या 2.6 आह क्षमता के मुकाबले 2.3 आह की सामान्य क्षमता काफी सामान्य है।

अधिक प्रमुख असमानता वजन में है। नैनो फॉस्फेट सेल का वजन केवल 70 ग्राम है जबकि इसके समकक्ष, सोनी या पैनासोनिक ली-आयन सेल का वजन क्रमशः 88 ग्राम और 93 ग्राम है।

इसका मुख्य कारण चित्रा 1 में दिखाया गया है जहां उन्नत नैनो फॉस्फेट सेल का आवरण एल्यूमीनियम से बना है और शीट स्टील से नहीं।

इसके अतिरिक्त, यह पारंपरिक कोशिकाओं पर एक और लाभ देता है क्योंकि एल्यूमीनियम सेल से गर्मी चालन में सुधार करने में बेहतर है।

एक और अभिनव डिजाइन आवरण है जो सेल के सकारात्मक टर्मिनल बनाता है। इसे फेरोमैग्नेटिक मैटेरियल की एक पतली परत के साथ बनाया गया है जो वास्तविक संपर्क बनाता है।

चार्जिंग / डिस्चार्जिंग स्पेसिफिकेशंस और वर्किंग

बैटरी को समय से पहले नुकसान से बचाने के लिए, हम आपको डेटाशीट से विनिर्देशों को सत्यापित करने के लिए आवश्यक अधिकतम चार्जिंग करंट / वोल्टेज चार्ज करने की सलाह देते हैं।

हमारे छोटे से प्रयोग ने बैटरी के गुणों को बदल दिया। प्रत्येक चार्ज / डिस्चार्ज चक्र में, हमने न्यूनतम क्षमता के 1 mAh (0.005%) के आसपास क्षमता में गिरावट दर्ज की।

सबसे पहले, हमने अपने LiFePO को चार्ज करने का प्रयास किया_४पूर्ण 1 C (2.3 A) पर सेल करें और 4 C (9.2A) पर निर्वहन मूल्य निर्धारित करें। आश्चर्यजनक रूप से, पूरे चार्जिंग अनुक्रम के दौरान, सेल तापमान में कोई वृद्धि नहीं हुई। हालांकि, निर्वहन के दौरान, तापमान 21 डिग्री सेल्सियस से 31 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है।

10 सी (23 ए) के लिए निर्वहन परीक्षण 49 डिग्री सेल्सियस के रिकॉर्ड सेल तापमान वृद्धि के साथ अच्छी तरह से चला गया। एक बार जब सेल वोल्टेज 4 V (लोड के तहत मापा जाता है) तक कम हो जाता है, तो बैटरी प्रत्येक सेल पर 5.68 V या 2.84 V का माध्य निर्वहन वोल्टेज (उम) प्रदान करती है। ऊर्जा घनत्व की गणना 94 Wh / kg की जाती थी।

इसी आकार की सीमा में, सोनी 26650VT सेल 10 C डिस्चार्ज पर 3.24 V का उच्च माध्य वोल्टेज 89 Wh / kg के कम ऊर्जा घनत्व के साथ प्रस्तुत करता है।

यह LiFePO से कम है_४कोशिका का घनत्व। अंतर कम सेल वजन के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। लेकिन, LiFePO_४कोशिकाओं में LiPo कोशिकाओं की तुलना में काफी कम प्रदर्शन होता है।

उत्तरार्द्ध को अक्सर मॉडलिंग सर्किट पर लागू किया जाता है और उनके पास 3.5 सी या 10 सी पर एक निर्वहन वोल्टेज होता है। ऊर्जा घनत्व के संदर्भ में, LiPo कोशिकाओं का ऊपरी हाथ 120 Wh / kg और 170 Wh / kg के बीच होता है। ।

हमारी अगली परीक्षा में, हमने पूरी तरह से LiFePO का शुल्क लिया_४कोशिकाओं को 1 C पर और बाद में -8 ° C तक ठंडा कर दिया। 10 सी पर आगामी निर्वहन कमरे के तापमान पर हुआ जो लगभग 23 डिग्री सेल्सियस है।

कोशिकाओं की सतह का तापमान उसके बाद बढ़कर 9 ° C हो गया था। फिर भी, सेल का आंतरिक तापमान काफी कम रहा होगा, हालांकि इसका सीधा माप संभव नहीं था।

चित्रा 2 में, आप शुरुआत में खोली गई ठंडी कोशिकाओं के टर्मिनल वोल्टेज (लाल रेखा) को देख सकते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता गया, यह उसी स्तर पर लौट आया जैसे कि परिवेश के तापमान पर कोशिकाओं के साथ परीक्षण किया गया था।

हैरानी की बात है, अंतिम तापमान में अंतर कम (47 डिग्री सेल्सियस के खिलाफ 49 डिग्री सेल्सियस) है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कोशिकाओं का आंतरिक प्रतिरोध तापमान पर निर्भर है। इसका मतलब है कि जब कोशिकाएं ठंडी (कम तापमान) होती हैं, तो आंतरिक रूप से अधिक शक्ति का प्रसार होता है।

अगली परीक्षा डिस्चार्ज करंट से संबंधित थी जहां यह बढ़कर 15 C (34.5 A) हो गई, कोशिकाओं ने अपनी न्यूनतम क्षमता से अधिक प्रस्तुत किया क्योंकि तापमान 23 ° C से 53 ° C तक बढ़ गया।

LiFePO के चरम वर्तमान क्षमता का परीक्षण_४प्रकोष्ठों

हमने आपको चित्र 3 में एक सरल सर्किट कॉन्फ़िगरेशन दिखाया है। हमने पीक वर्तमान स्तरों को मापने के लिए एक कम प्रतिरोध सर्किट का उपयोग किया है।

1 m शंट रोकनेवाला, 100 ए वर्तमान सिंक और इसके सहयोगियों (एमपीएक्स कनेक्टर में केबल प्रतिरोध और संपर्क प्रतिरोध) सहित प्रतिरोधों का संयोजन।

अत्यधिक कम प्रतिरोध ने एक चार्ज के निर्वहन को 65 ए से अधिक जाने से रोक दिया।

इसलिए, हमने पहले की तरह श्रृंखला में दो कोशिकाओं का उपयोग करके उच्च वर्तमान माप को सौंपने का प्रयास किया। उसके कारण, हम एक मल्टीमीटर का उपयोग करके कोशिकाओं के बीच वोल्टेज को माप सकते हैं।

इस प्रयोग में वर्तमान सिंक शायद १२० ए की रेटेड सेल की वजह से अतिभारित हो गया है, हमारे मूल्यांकन की सीमा को सीमित करके, हमने १५ सी डिस्चार्ज पर तापमान ऊंचाई की निगरानी की।

इससे पता चला कि यह 30 C (70 A) के निरंतर रेट किए गए डिस्चार्ज रेट पर एक बार में सभी कोशिकाओं का परीक्षण करने के लिए उपयुक्त नहीं है।

इस बात के पुख्ता सबूत हैं कि डिस्चार्ज के दौरान 65 ° C का सेल सतह का तापमान सुरक्षा के लिए ऊपरी सीमा है। इसलिए, हमने परिणामी निर्वहन अनुसूची का निर्माण किया।

सबसे पहले, 69 ए (30 सी) पर कोशिकाओं को 16 सेकंड के लिए छुट्टी दे दी जाती है। फिर, इसे आधे मिनट के लिए 11.5 ए (5 सी) के ‘रिकवरी’ अंतराल के साथ वैकल्पिक किया गया।

उसके बाद, 69 ए पर 10-सेकंड की दालों थे आखिरकार, जब या तो न्यूनतम निर्वहन वोल्टेज या अधिकतम अनुमेय तापमान हासिल किया गया था, तो निर्वहन ऑपरेशन समाप्त हो गया था। चित्र 4 में प्राप्त परिणामों को दर्शाया गया है।

उच्च लोड अंतराल के दौरान, टर्मिनल वोल्टेज जल्दी से गिरा, यह दर्शाता है कि कोशिकाओं के अंदर लिथियम आयनों ने प्रतिबंधित और धीमी गति से आंदोलन किया है।

फिर भी, कम-लोड अंतराल के दौरान सेल में तेजी से सुधार होता है। यद्यपि सेल धीरे-धीरे डिस्चार्ज होता है, लेकिन सेल के तापमान में वृद्धि के कारण, आपको उच्च लोड द्वारा काफी कम वोल्टेज की बूंदें मिल सकती हैं।

यह पुष्टि करता है कि सेल के आंतरिक प्रतिरोध पर तापमान कैसे निर्भर करता है।

हमने लगभग 11 m to (डेटाशीट 10 m प्रस्तुत करता है) में DC का आंतरिक प्रतिरोध दर्ज किया, जब सेल को आधा किया जाता है।

जब सेल पूरी तरह से डिस्चार्ज हो गया था, तो तापमान 63 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ गया था, जो इसे सुरक्षा जोखिमों के लिए उजागर करता है। इसका कारण यह है कि कोशिकाओं के लिए कोई अतिरिक्त शीतलन नहीं है, इसलिए हमने उच्च भार वाली दालों के साथ परीक्षण से आगे बढ़ने से रोक दिया।

बैटरी ने इस परीक्षण में 2320 एमएएच का आउटपुट दिया जो नाममात्र की क्षमता से अधिक था।

10 एमवी पर सेल वोल्टेज के बीच अधिकतम अंतर के साथ, उनके बीच मिलान पूरे परीक्षण में बकाया था।

पूर्ण वोल्टेज पर डिस्चार्ज रुका हुआ था जब टर्मिनल वोल्टेज ने प्रति सेल 1 वी प्राप्त किया।

एक मिनट बाद, हमने प्रत्येक कोशिकाओं पर 2.74 V ओपन सर्किट वोल्टेज की वसूली देखी।

फास्ट चार्जिंग टेस्ट

इलेक्ट्रॉनिक बैलेंसर को शामिल किए बिना 4 सी (9.2 ए) में फास्ट चार्जिंग परीक्षण किए गए थे लेकिन हमने व्यक्तिगत सेल वोल्टेज की लगातार जांच की।

उपयोग करते समय शीशा अम्लीय बैटरी , हम केवल चार्जर द्वारा वितरित अधिकतम और सीमित वोल्टेज के कारण प्रारंभिक चार्जिंग चालू सेट कर सकते हैं।

साथ ही, चार्ज वोल्टेज को केवल उस बिंदु पर सेट किया जा सकता है, जब सेल वोल्टेज उस बिंदु पर बढ़ गया हो, जहां चार्ज करंट कम होना शुरू हो जाता है (निरंतर चालू / स्थिर चार्जिंग)।

LiFePO के साथ हमारे प्रयोग में_४, यह 10 मिनट के बाद होता है जहां मीटर में शंट के प्रभाव से अवधि कम हो जाती है।

हम जानते हैं कि सेल 20 मिनट बीत जाने के बाद 97% या अपनी नाममात्र क्षमता से अधिक चार्ज किया जाता है।

इसके अलावा, इस स्तर पर प्रभार वर्तमान 0.5 ए पर गिर गया है, परिणामस्वरूप, कोशिकाओं की एक 'पूर्ण' स्थिति एक से कम रिपोर्ट की जाएगी फास्ट चार्जर ।

फास्ट चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, सेल वोल्टेज कभी-कभी एक-दूसरे से थोड़ा आगे बढ़ जाते हैं, लेकिन 20 एमवी से परे नहीं।

लेकिन प्रक्रिया के समग्र के लिए, कोशिकाओं ने एक ही समय में चार्ज करना समाप्त कर दिया।

जब तेज चार्जिंग का अनुभव होता है, तो कोशिकाएं काफी हद तक गर्म हो जाती हैं, जिससे तापमान कुछ हद तक आवेशित धारा में गिर जाता है।

यह कोशिकाओं के आंतरिक प्रतिरोध में नुकसान के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

LiFePO चार्ज करते समय सुरक्षा सावधानियों का पालन करना मौलिक है_४और 3.6 वी के अपने सुझाए गए चार्ज वोल्टेज से परे नहीं।

हमने थोड़ा पीछे हटने की कोशिश की और 7.8 V (3.9 V) प्रति सेल के टर्मिनल वोल्टेज के साथ कोशिकाओं को 'ओवरचार्ज' करने का प्रयास किया।

यह घर पर इसे दोहराने के लिए अनुशंसित नहीं है।

हालाँकि धूम्रपान या लीक करने जैसा कोई अजीब व्यवहार नहीं था और सेल वोल्टेज भी लगभग बराबर थे, लेकिन कुल मिलाकर परिणाम बहुत फायदेमंद नहीं दिखे।

• 3 सी डिस्चार्ज ने अतिरिक्त 100 एमएएच की आपूर्ति की और औसत निर्वहन वोल्टेज अपेक्षाकृत अधिक था।
• हमारे कहने का मतलब यह है कि 103.6 Wh / kg से 104.6 Wh / kg तक ऊर्जा घनत्व में एक छोटी सी उथल-पुथल का कारण बनता है।
• हालांकि, जोखिमों को सहन करने और संभवतः कोशिकाओं के जीवन को स्थायी नुकसान के अधीन करना इसके लायक नहीं है।

बैटरी रसायन विज्ञान और मूल्यांकन

FePO लागू करने की अवधारणा_४लिथियम बैटरी केमिस्ट्री के साथ नैनो तकनीक इलेक्ट्रोड के सतह क्षेत्र को ऊपर उठाना है, जिस पर प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं।

ग्रेफाइट एनोड (नकारात्मक टर्मिनल) में भविष्य के नवाचार के लिए जगह बादल दिखती है, लेकिन कैथोड के संबंध में, पर्याप्त प्रगति है।

आयन पर कब्जा करने के लिए संक्रमण धातुओं के कैथोड यौगिकों (आमतौर पर ऑक्साइड) का उपयोग किया जाता है। मैगनीज, कोबाल्ट और निकल जैसी धातुएं जो कैथोड द्वारा उपयोग की जाती हैं, बड़े पैमाने पर उत्पादन में होती हैं।

इसके अलावा, उनमें से प्रत्येक के पास अपने संबंधित पेशेवरों और विपक्ष हैं। निर्माता ने लोहे के लिए चुना, विशेष रूप से लोहे के फॉस्फेट (FePO4) जिसमें उन्होंने एक कैथोड सामग्री की खोज की, जो कि कम वोल्टेज पर भी अत्यधिक बैटरी क्षमता को संपन्न करने के लिए कार्यात्मक है।

मुख्य रूप से, ली-आयन बैटरी केवल एक छोटी वोल्टेज रेंज 2.3 V से 4.3 V के भीतर रासायनिक रूप से स्थिर होती है। इस सीमा के दोनों सिरों पर सेवा जीवन की शर्तों के लिए कुछ निष्कर्ष आवश्यक हैं। व्यावहारिक रूप से, 4.2 V की ऊपरी सीमा स्वीकार्य मानी जाती है, जबकि लंबे जीवन के लिए 4.1 V की सिफारिश की जाती है।

परम्परागत लिथियम बैटरियां जो बनी हैं कई कोशिकाओं श्रृंखला में जुड़े इलेक्ट्रॉनिक ऐड-ऑन के माध्यम से वोल्टेज सीमा के भीतर रहें बैलेंसर्स , इक्वलाइज़र या सटीक वोल्टेज सीमाएँ।

चार्ज सर्किट बढ़ने से इन सर्किटों की जटिलता बढ़ जाती है, जिससे अतिरिक्त बिजली की हानि होती है। उपयोगकर्ताओं के लिए, ये चार्जिंग डिवाइस बहुत बेहतर नहीं हैं क्योंकि वे उन कोशिकाओं को पसंद करेंगे जो गहरे निर्वहन को सहन कर सकते हैं।

इसके अलावा, उपयोगकर्ताओं को एक विस्तृत तापमान रेंज और त्वरित चार्ज की संभावना भी पसंद आएगी। इन सभी ने नैनो-प्रौद्योगिकी FePO को रखा_४आधारित LiFePO_४सेल ली-आयन बैटरी के नवाचार में पसंदीदा बन जाते हैं।

प्रारंभिक निष्कर्ष

उनके विस्तृत रूप से फ्लैट डिस्चार्ज वोल्टेज घटता है, जो उच्च-वर्तमान औद्योगिक अनुप्रयोगों के निष्पादन को बढ़ावा देता है, LiFePO_४या FePO_४-कैथोड ली-आयन कोशिकाएं बहुत वांछनीय हैं।

न केवल उनके पास पारंपरिक ली-आयन कोशिकाओं की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा घनत्व है, बल्कि एक उच्च-शक्ति घनत्व भी है।

कम आंतरिक प्रतिरोध और कम वजन के संयोजन से प्रतिस्थापन कोशिकाओं के लिए अच्छी तरह से निकल या उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में नेतृत्व होता है।

आमतौर पर, कोशिकाओं को तापमान के खतरनाक वृद्धि का अनुभव किए बिना 30 सी पर निरंतर निर्वहन को सहन नहीं किया जा सकता है। यह नुकसानदायक है क्योंकि आप केवल दो मिनटों में 2.3 A सेल को 70 A पर डिस्चार्ज नहीं करना चाहेंगे। इस प्रकार के अनुप्रयोगों में, उपयोगकर्ता को पारंपरिक लिथियम कोशिकाओं की तुलना में व्यापक विकल्प मिलते हैं।

फ्लिप की तरफ, तेज चार्जिंग की निरंतर मांग है, खासकर अगर चार्जिंग अवधि को बहुत कम किया जा सकता है। संभवतः यह एक कारण है कि LiFePO क्यों_४कोशिकाएँ 36 V (10 श्रृंखला कोशिकाएँ) में उपलब्ध हैं जो पेशेवर हथौड़ा ड्रिल हैं।

लिथियम कोशिकाओं को हाइब्रिड और पर्यावरण के अनुकूल ऑटोमोबाइल में सबसे अच्छा तैनात किया गया है। सिर्फ चार FePO का उपयोग करना_४बैटरी पैक में कोशिकाएं (13.2 V) लीड-एसिड बैटरी की तुलना में 70% कम वजन का होता है। बेहतर उत्पाद जीवन चक्र और बिजली घनत्व के शीर्ष पर काफी अधिक ऊर्जा के विकास का समर्थन किया है हाइब्रिड वाहन प्रौद्योगिकी शून्य-उत्सर्जन वाहनों में बड़े पैमाने पर।