LiFePO4バッテリーの充電/放電仕様、利点の説明

リチウムイオン電池とリチウムポリマー電解質（LiPo）電池は比類のないエネルギー密度を持っていますが、リチウムベースの電池は製造にコストがかかり、慎重な充電とともに細心の注意を払う必要があります。

ナノテクノロジーの進歩により、これらの電池のカソード電極の製造プロセスは大幅に改善されました。

ナノテクノロジーベースの高負荷LiFePOの突破口₄セルは、従来のリチウムイオンまたはリポセルよりも高度です。

詳細を学びましょう：

LiFePOとは₄電池

リン酸鉄リチウム電池（LiFePO₄バッテリー）またはLFPバッテリー（リン酸鉄リチウム）は、 リチウムイオン電池 LiFePOを採用しています₄カソード材料（電池内部ではこのカソードが正極を構成する）、およびアノードを形成する金属支持体を有するグラファイトカーボン電極として。

LiFePOのエネルギー密度₄従来のコバルト酸リチウム（LiCoO 2）の化学的性質と比較して小さく、動作電圧も小さくなっています。

LiFePOの最も重大な欠点₄導電率の低下です。その結果、LiFePOのすべてが₄考慮されるカソードは実際にはLiFePOです₄/ C。

より安価なコスト、最小限の毒性、正確に指定された性能、広範な安定性などにより、LiFePO₄多くの車両ベースのアプリケーション、ユーティリティ規模の固定アプリケーション、およびインバーター、コンバーターアプリケーションでも人気があります。

LiFePOの利点₄電池

ナノリン酸塩電池は、従来のリチウム電池の長所を取り入れ、ニッケルベースの化合物の利点と融合させます。これらはすべて、どちらの側の欠点も経験することなく発生します。

これらの理想 NiCd電池 次のようないくつかの特典があります：

• 安全性–不燃性であるため、保護回路は必要ありません。
• 堅牢–バッテリーは、高いサイクル寿命と標準的な充電方法を備えています。
• 重い負荷と急速充電に対する高い耐性。
• それらは一定の放電電圧（平坦な放電曲線）を持っています。
• 高いセル電圧と低い自己放電
• 優れたパワーとコンパクトなエネルギー密度

LiFePOの違い₄およびリチウムイオン電池

従来型 リチウムイオン電池 は3.6Vの最小電圧と4.1Vの充電電圧を備えています。さまざまなメーカーとのこれらの電圧の両方で0.1Vの違いがあります。これが主な違いです。

ナノリン酸塩セルの公称電圧は3.3V、抑制された充電電圧は3.6Vです。標準のリチウムイオンセルが提供する2.5または2.6Ahの容量と比較すると、2.3Ahの通常の容量は非常に一般的です。

より顕著な相違点は重量にあります。ナノリン酸塩セルの重量はわずか70gですが、対応するソニーまたはパナソニックのリチウムイオンセルの重量はそれぞれ88gと93gです。

この主な理由を図1に示します。ここでは、高度なナノリン酸塩セルのケーシングが鋼板ではなくアルミニウムで作られています。

さらに、アルミニウムはセルからの熱伝導を改善するのに優れているため、これは従来のセルに比べて別の利点があります。

もう1つの革新的な設計は、セルのプラス端子を形成するケーシングです。これは、実際の接点を形成する強磁性材料の薄層で構築されています。

充電/放電仕様と動作

バッテリーの早期損傷を防ぐために、データシートから仕様を確認する必要がある場合に備えて、最大許容充電電流/電圧を適用することをお勧めします。

私たちの小さな実験は、バッテリーの特性が変化したことを明らかにしました。充電/放電サイクルごとに、最小容量の約1 mAh（0.005％）の容量の低下を記録しました。

最初に、LiFePOを充電しようとしました₄セルをフル1C（2.3 A）に設定し、放電値を4 C（9.2A）に設定します。驚くべきことに、充電シーケンス全体を通して、セル温度の上昇はありませんでした。しかし、放電中、温度は21℃から31℃に上昇しました。

10 C（23 A）の放電テストは、49°Cの記録されたセル温度上昇でうまくいきました。セル電圧が4V（負荷の下で測定）に低下すると、バッテリーは各セルで5.68Vまたは2.84Vの平均放電電圧（Um）を提供しました。エネルギー密度は94Wh / kgと計算されました。

同じサイズ範囲で、Sony 26650VTセルは、10C放電で3.24Vのより高い平均電圧を示し、89 Wh / kgのより低いエネルギー密度を示します。

これはLiFePOよりも低いです₄細胞の密度。この違いは、細胞重量の減少に起因する可能性があります。しかし、LiFePO₄セルのパフォーマンスは、LiPoセルよりも大幅に低くなります。

後者はモデリング回路に頻繁に適用され、10Cで平均放電電圧が3.5V以上です。エネルギー密度に関しては、LiPoセルも120 Wh / kg〜170 Wh / kgの範囲で優位に立っています。 。

次の試験では、LiFePOを完全に充電しました₄セルを1℃で冷却し、後で-8℃に冷却しました。その後の10℃での放電は、約23℃の室温で起こった。

その後、セルの表面温度は9℃に上昇しました。それでも、セルの内部温度は、直接測定することはできませんでしたが、大幅に低くなっているはずです。

図2では、冷却されたセルの端子電圧（赤い線）が最初に急降下したことがわかります。温度が上昇すると、周囲温度のセルでテストを行った場合と同じレベルに戻りました。

驚いたことに、最終温度の差は小さいです（49°Cに対して47°C）。これは、セルの内部抵抗が温度に依存しているためです。つまり、セルが低温（低温）の場合、内部でかなり多くの電力が消費されます。

次の検査は、放電電流が15 C（34.5 A）に上昇したことに関するもので、温度が23°Cから53°Cに上昇すると、セルは最小容量を超えました。

LiFePOの極端な電流容量のテスト₄細胞

図3に簡単な回路構成を示しました。低抵抗回路を使用してピーク電流レベルを測定しました。

1mΩのシャント抵抗、100 Aの電流シンクとその関連の組み込み抵抗（ケーブル抵抗とMPXコネクタの接触抵抗）を含む抵抗の組み合わせ。

非常に低い抵抗により、1回の電荷の放電が65Aを超えるのを防ぎました。

そのため、以前と同様に2つのセルを直列に使用して高電流測定を委任しようとしました。そのため、マルチメータを使用してセル間の電圧を測定することができました。

この実験の電流シンクは、セルの定格電流が120 Aであるために過負荷になっている可能性があります。評価の範囲を制限することにより、15Cの放電での温度上昇を監視しました。

これは、定格連続放電率30 C（70 A）でセルを一度にテストすることは適切ではないことを示しています。

放電中のセル表面温度65°Cが安全性の上限であるという実質的な証拠があります。そこで、結果として得られる排出スケジュールを作成しました。

まず、69 A（30 C）で、セルは16秒間放電されます。次に、11.5 A（5 C）の「回復」間隔を30分間交互に繰り返しました。

その後、69Aで10秒のパルスが発生しました。最後に、最小放電電圧または最大許容温度のいずれかが達成されたときに、放電は動作を終了しました。図4は、得られた結果を示しています。

高負荷期間中、端子電圧は急速に低下しました。これは、セル内のリチウムイオンの動きが制限されて遅いことを示しています。

それでも、セルは低負荷期間中に迅速に改善されます。セルが放電されると電圧はゆっくりと低下しますが、セルの温度が上昇すると、負荷が高くなると電圧降下の精度が大幅に低下する場合があります。

これにより、温度がセルの内部抵抗にどのように依存するかが検証されます。

セルが半分放電されたとき、DCに対する内部抵抗は約11mΩ（データシートは10mΩを示します）であると記録しました。

セルが完全に放電したとき、温度は63°Cに上昇し、安全上のリスクにさらされていました。これは、セルに追加の冷却がないため、より長い高負荷パルスでのテストに進むのをやめたためです。

このテストでは、バッテリーの出力は2320 mAhで、公称容量を上回りました。

10 mVでのセル電圧間の最大差により、それらの間のマッチングはテスト全体を通して際立っていました。

端子電圧がセルあたり1Vに達したときに、全負荷での放電を停止しました。

1分後、各セルで2.74Vの開回路電圧が回復しました。

急速充電テスト

急速充電テストは、電子バランサーを組み込まずに4 C（9.2 A）で実施されましたが、個々のセルの電圧を常にチェックしました。

使用する場合 鉛蓄電池 、充電器から供給される電圧が最大で制限されているため、初期充電電流のみを設定できます。

また、充電電流は、セル電圧が充電電流の減少を開始するポイントまで上昇した後にのみ設定できます（定電流/定電圧充電）。

LiFePOを使った実験では₄、これは10分後に発生し、メーターのシャントの効果によって持続時間が短縮されます。

20分が経過すると、セルは公称容量の97％以上に充電されます。

さらに、この段階での充電電流は0.5 Aに低下しました。その結果、セルの「フル」状態が次のように報告されます。 急速充電器 。

急速充電プロセス全体を通して、セル電圧は時々互いに少し移動しましたが、20mVを超えることはありませんでした。

しかし、プロセス全体で、セルは同時に充電を終了しました。

急速充電を経験すると、セルはかなり暖まる傾向があり、温度は充電電流よりもいくらか遅れます。

これは、セルの内部抵抗の損失に起因する可能性があります。

LiFePOを充電するときは、安全上の注意に従うことが基本です。₄推奨される充電電圧3.6Vを超えないようにしてください。

私たちは少しこっそり通り過ぎて、7.8 V（セルあたり3.9 V）の端子電圧でセルを「過充電」しようとしました。

自宅でこれを繰り返すことはまったくお勧めできません。

喫煙や漏れなどの奇妙な行動はなく、セル電圧もほぼ同じでしたが、全体的な結果はあまり有益ではなかったようです。

• 3 C放電は、さらに100 mAhを供給し、平均放電電圧は比較的高かった。
• つまり、過充電により、エネルギー密度が103.6 Wh / kgから104.6Wh / kgにわずかに上昇します。
• しかし、リスクに耐え、細胞の寿命を永久的な損傷にさらすことは価値がありません。

電池の化学的性質と評価

FePOを適用するという概念₄ナノテクノロジーとリチウム電池の化学的性質は、反応が起こり得る電極の表面積を増やすことです。

グラファイトアノード（マイナス端子）には将来のイノベーションの余地がありますが、カソードに関してはかなりの進歩があります。

カソードでは、遷移金属の化合物（通常は酸化物）がイオン捕捉に利用されます。陰極に使用されるマンガン、コバルト、ニッケルなどの金属は大量生産されています。

さらに、それぞれに長所と短所があります。製造業者は鉄、特にリン酸鉄（FePO4）を選択しました。そこでは、より低い電圧でも十分に機能し、極端なバッテリー容量に耐えるカソード材料を発見しました。

主に、リチウムイオン電池は、2.3 V〜4.3 Vの小さな電圧範囲内でのみ化学的に安定しています。この範囲の両端では、耐用年数の観点から特定の調整が必要です。実際には、4.2 Vの上限は許容できると考えられていますが、長寿命には4.1Vが推奨されます。

で構成されている従来のリチウム電池 直列に接続された複数のセル のような電子アドオンを通じて電圧制限内にとどまる バランサー 、イコライザーまたは正確な電圧リミッター。

これらの回路の複雑さは、充電電流が増加するにつれて増加し、追加の電力損失をもたらします。ユーザーにとって、これらの充電デバイスは、深い放電に耐えることができるセルを好むため、あまり好ましくありません。

さらに、ユーザーは広い温度範囲と急速充電の可能性も望んでいます。これらすべてがナノテクノロジーFePOを置きます₄ベースのLiFePO₄セルは、リチウムイオン電池の革新においてお気に入りになります。

予備的な結論

大電流産業用アプリケーションの実行を固定する精巧に平坦な放電電圧曲線のため、LiFePO₄またはFePO₄-カソードリチウムイオン電池が非常に望ましい。

それらは、従来のリチウムイオン電池よりも実質的に高いエネルギー密度を持っているだけでなく、非常に高い電力密度も持っています。

低内部抵抗と軽量の組み合わせは、高出力アプリケーションでのニッケルまたは鉛に依存する交換用セルに適しています。

通常、セルは危険な温度上昇を経験せずに30℃での連続放電に耐えることはできません。 2.3Ahのセルをわずか2分で70Aで放電させたくないので、これは不利です。このタイプのアプリケーションでは、ユーザーは従来のリチウム電池よりも幅広いオプションを利用できます。

反対に、特に充電時間を大幅に短縮できる場合は、より迅速な充電が継続的に求められています。おそらくこれがLiFePOの理由の1つです₄セルは、36 V（10シリーズセル）のプロ用ハンマードリルで利用できます。

リチウム電池は、ハイブリッドで環境に優しい自動車に最適に配備されます。たった4つのFePOを使用する₄バッテリーパック内のセル（13.2 V）は、鉛蓄電池よりも70％軽量です。製品ライフサイクルの改善と電力密度に加えて大幅に高いエネルギーにより、 ハイブリッド車 主にゼロエミッション車の技術。