Características da bateria LiFePo4

Em comparação com as baterias secundárias aquosas tradicionais, como baterias de chumbo-ácido, níquel-hidrogênio e níquel-cádmio, as baterias de íon-lítio LiFePO4 têm as vantagens de longa vida útil, alta densidade de energia e alta segurança da bateria. As baterias LiFePO4 tornaram-se o sistema de bateria mais promissor entre os vários sistemas de bateria. Portanto, as baterias LiFePO4 são amplamente utilizadas no fornecimento de energia para veículos elétricos, armazenamento de energia em larga escala, estação base de comunicação, bicicleta elétrica e sistema de painéis solares. Este artigo estuda e elabora principalmente o ciclo de vida, o desempenho de carga e descarga de alta velocidade, a segurança da acupuntura e a densidade de energia de peso das baterias de íons de lítio LiFePO4.

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1. Ciclo de desempenho da bateria LiFePO4

Como um dos principais componentes dos veículos elétricos, as baterias representam cerca de metade do custo dos veículos elétricos. Portanto, a duração da bateria determina diretamente o custo do uso de veículos elétricos. Devido às propriedades químicas estáveis ​​dos materiais positivos e negativos das baterias LiFePO4, o volume de carga e a mudança de tensão durante o processo de descarga são muito pequenos, portanto, o ciclo de vida é muito longo. A Figura 1 mostra que uma bateria de íon de lítio de 20Ah 12v é carregada com uma corrente de 1C a 3,65V e depois convertida para uma tensão constante até que a corrente caia para 0,02C; a corrente de descarga é 1C, a vida útil sob a condição da tensão de corte de 2,0V (profundidade de carga e descarga 100%).

A Figura 1 mostra que a capacidade restante da bateria ainda é superior a 80% da capacidade inicial após o ciclo exceder 1600 vezes. Embora o custo atual das baterias de alimentação LiFePo4 seja ligeiramente superior ao das baterias de chumbo-ácido, a vida útil mais longa da bateria reduzirá significativamente os custos de uso e manutenção de EV.

2. Desempenho de descarga em taxas diferentes

Como as baterias LiFePO4 podem ser descarregadas em taxas diferentes em aplicações práticas, a capacidade de descarga diminui rapidamente em alguns sistemas de bateria à medida que a corrente de descarga aumenta. Portanto, para entender o desempenho de descarga das baterias LiFePO4 em altas taxas, descarregue a bateria LiFePO4 de 20Ah a 0,5C, 1C e 3C, respectivamente. Os resultados são mostrados na Figura 2.

Pode ser visto na Figura 2 que quando a corrente de descarga é aumentada de 0,5C para 3C, a capacidade de descarga da bateria diminui ligeiramente, mas apenas menos de 5%, sugerindo que a bateria de fosfato de ferro e lítio ainda é boa em altas taxas está funcionando. Ao mesmo tempo, a taxa de descarga 3C pode atender às necessidades de veículos elétricos em condições de alta taxa de descarga, de modo que os veículos elétricos tenham fortes capacidades de subida e aceleração.

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3. Alta potência de carregamento

O desempenho de carregamento rápido da bateria pode fazer com que os EVs usem métodos de carregamento de emergência em situações inesperadas, o que é mais conveniente para o uso de EV. A Figura 3 mostra os resultados do teste de uma bateria com capacidade real de 20 Ah, carregada com uma corrente de 3 C, atingindo 3,65 V e, em seguida, comutada para carregamento em tensão constante.

A partir da Figura 3, pode-se observar que a capacidade da bateria varia linearmente com o tempo na fase inicial de carregamento. Pode atingir 55% da capacidade da bateria em 15 minutos, 90% em 25 minutos e mais de 95% em 30 minutos. Isso mostra que a bateria LiFePO4 pode ser carregada a uma taxa mais alta e a bateria pode ser totalmente carregada em pouco tempo.

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4. A segurança das baterias LiFePO4

Os materiais LiFePO4 são quimicamente muito estáveis, especialmente a estabilidade em altas temperaturas é muito boa. Mesmo temperaturas muito altas não podem ser decompostas para liberar oxigênio, portanto, o desempenho de segurança das baterias de fosfato de ferro e lítio é muito bom. Eles não são fáceis de queimar e explodir e outros perigos.

Com um bom design estrutural, a segurança foi aprimorada para que a bateria não queime ou exploda em caso de impacto, picada de agulha, curto-circuito etc. A Figura 4 mostra uma bateria LiFePO4 de 20Ah totalmente carregada, uma prego de 8 mm de diâmetro perfurou rapidamente a bateria, e as mudanças de voltagem e temperatura da bateria foram registradas.

Como pode ser visto na Figura 4, no início da inserção da haste, devido ao curto-circuito interno, a tensão da bateria cai rapidamente, uma certa quantidade de calor é liberada e a temperatura aumenta.

No entanto, uma vez que o vácuo interno da bateria cai significativamente após a perfuração, a parte de contato de curto-circuito é deformada e ocorre mau contato. O calor não é mais emitido neste ponto, então a tensão tende a se estabilizar e a temperatura da bateria aumenta apenas ligeiramente.

5. Densidade de energia da bateria LiFePO4

A densidade de energia do peso é um indicador importante do desempenho da bateria. A Figura 5 mostra que um fosfato de ferro e lítio de 20Ah está totalmente carregado e a taxa de 0,3C descarregada para 2,0V. A curva de descarga pode ser integrada para obter a energia liberada pela bateria.

Após o cálculo integral, a bateria de fosfato de ferro e lítio de 20Ah liberou 70,7 Wh de energia. O peso da bateria é de 580 g, portanto, a densidade de energia do peso da bateria de fosfato de ferro e lítio pode ser calculada como 121,90 Wh/kg.

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6. Descarga da bateria LiFePo4 em diferentes temperaturas

Devido às grandes diferenças regionais no uso de veículos elétricos, alguns locais apresentam condições climáticas de baixa temperatura no inverno, e a baixa temperatura inevitavelmente terá um certo impacto no desempenho da bateria.

Portanto, para entender o desempenho de descarga das baterias LiFePO4 em baixas temperaturas, o teste será uma bateria LiFepP4 de 20Ah armazenada a -20℃, -10℃, 0℃, 25℃ e 55℃ por 20 horas. Em seguida, neste ambiente de baixa temperatura a 0,3 °C vezes a taxa de descarga (à temperatura ambiente, 0,3 °C, capacidade de descarga de 100%). Os resultados são mostrados na Figura 6.

A Figura 6 mostra que a bateria LiFePO4 pode liberar apenas cerca de 55% de sua capacidade à temperatura ambiente a -20°C, portanto, pode afetar adversamente os veículos elétricos durante a operação. No entanto, a capacidade de descarga de uma única bateria diminui mais à medida que a temperatura diminui. Os veículos elétricos geralmente combinam centenas de baterias e, quando a bateria está funcionando, algum calor é liberado e a temperatura da bateria precisa subir.

Portanto, em baterias em aplicações práticas, o problema de descarga de baixa temperatura não é muito sério. Durante o teste, devido à grande área de superfície específica exposta de uma única bateria, a temperatura é a mesma que a temperatura ambiente, de modo que a capacidade de descarga é bastante afetada. Em temperaturas mais altas, as baterias LiFePO4 são menos afetadas. Por exemplo, a capacidade de descarga da bateria a 55°C é ligeiramente aumentada em comparação com 25°C.

A pesquisa acima mostra que a bateria de fosfato de ferro e lítio tem uma vida longa, alta segurança e densidade de energia. Ao mesmo tempo, como a bateria de lítio RV não usa chumbo, cádmio, mercúrio, cromo hexavalente e outros metais pesados ​​tóxicos em todo o processo de produção, os materiais de embalagem da bateria não contêm bifenilos polibromados e éteres difenílicos polibromados, e o LiFePO4 bateria também é mais amiga do ambiente. Portanto, a bateria de fosfato de ferro e lítio terá uma aplicação mais ampla em veículos elétricos e armazenamento de energia química em larga escala.