چراغ خیابانی یکپارچه خورشیدی با استفاده از باتری فسفات آهن لیتیوم LiFePO4
باتری لیتیوم فسفات آهن به باتری لیتیوم یونی اطلاق می شود که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده الکترود مثبت استفاده می کند. مواد کاتدی باتریهای لیتیوم{0} یون عمدتاً شامل اکسید لیتیوم کبالت، لیتیوم منگنات، لیتیوم نیکلات، مواد سه تایی و فسفات آهن لیتیوم است. در میان آنها، اکسید لیتیوم کبالت در حال حاضر ماده کاتدی است که در بیشتر باتریهای لیتیوم{1} یون استفاده میشود.
LiFePO4 به عنوان الکترود مثبت باتری استفاده می شود که توسط فویل آلومینیومی به الکترود مثبت باتری متصل می شود. در وسط یک جداکننده پلیمری قرار دارد که الکترود مثبت را از الکترود منفی جدا می کند، اما یون لیتیوم Li می تواند عبور کند اما الکترون e{1}} نمی تواند عبور کند. سمت راست از کربن (گرافیت) ساخته شده است. الکترود منفی باتری توسط یک فویل مسی به الکترود منفی باتری متصل می شود. بین انتهای بالایی و پایینی باتری، الکترولیت باتری قرار دارد و باتری توسط یک محفظه فلزی مهر و موم شده است.
هنگامی که باتری LiFePO4 شارژ می شود، لیتیوم یون لی در الکترود مثبت از طریق جداکننده پلیمری به الکترود منفی مهاجرت می کند. در طول فرآیند تخلیه، یون لیتیوم لی در الکترود منفی از طریق جداکننده به الکترود مثبت مهاجرت می کند. نام باتریهای لیتیوم{1}} به این دلیل است که یونهای لیتیوم در هنگام شارژ و دشارژ کردن به جلو و عقب حرکت میکنند.
عملکرد اصلی
ولتاژ اسمی باتری LiFePO4 3.2 ولت، ولتاژ شارژ نهایی 3.6 ولت و ولتاژ تخلیه نهایی 2.0V می باشد. با توجه به کیفیت و ساخت متفاوت مواد مثبت و منفی و مواد الکترولیتی مورد استفاده تولیدکنندگان مختلف، تفاوت هایی در عملکرد آنها وجود خواهد داشت. به عنوان مثال، ظرفیت باتری همان مدل (باتری استاندارد در همان بسته) کاملاً متفاوت است (10 درصد -20 درصد).
آنچه که من می خواهم در اینجا توضیح دهم این است که باتری های برق لیتیوم فسفات آهن تولید شده توسط کارخانه های مختلف دارای تفاوت هایی در پارامترهای مختلف عملکرد هستند. علاوه بر این، برخی از عملکرد باتری مانند مقاومت داخلی باتری، سرعت تخلیه خود{0}}، دمای شارژ و دشارژ و غیره فهرست نشده است.
تفاوت های زیادی در ظرفیت باتری های لیتیوم آهن فسفات وجود دارد که می توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد: کوچک-در مقیاس چند تا چند میلی آمپر، متوسط-در مقیاس ده ها میلی آمپر- ساعت و در مقیاس بزرگ-صدها میلی آمپر-ساعت. پارامترهای مشابه انواع مختلف باتری نیز تفاوت هایی با هم دارند.
تست تخلیه بیش از حد تا ولتاژ صفر:
STL18650 (11{8}}0mAh) باتری فسفات آهن لیتیوم برای آزمایش تخلیه بیش از- تا ولتاژ صفر استفاده شد. شرایط آزمایش: باتری STL18650 11{10}}0 میلیآمپر ساعتی را با نرخ شارژ 0.5 درجه سانتیگراد بهطور کامل شارژ کنید و سپس تا زمانی که ولتاژ باتری به 0 درجه سانتیگراد برسد، آن را با سرعت تخلیه 1.0 درجه سانتیگراد تخلیه کنید. سپس باتری های 0 ولت را به دو گروه تقسیم کنید: یک گروه به مدت 7 روز ذخیره می شود، گروه دیگر به مدت 30 روز ذخیره می شود. پس از اتمام زمان ذخیره سازی، باتری ها با نرخ شارژ 0.5 درجه سانتیگراد به طور کامل شارژ می شوند و سپس در دمای 1.0 درجه سانتیگراد تخلیه می شوند. در نهایت، تفاوت بین دو دوره ذخیره ولتاژ صفر{17}را مقایسه کنید.
نتیجه آزمایش این است که باتری پس از 7 روز نگهداری در ولتاژ صفر، با عملکرد خوب، نشتی نداشته و ظرفیت آن 100 درصد است. پس از ذخیره سازی به مدت 30 روز، بدون نشتی، با عملکرد خوب، و ظرفیت 98 درصد است. باتری پس از 30 روز ذخیره سازی در معرض 3 چرخه شارژ-تخلیه قرار می گیرد. ظرفیت به 100 درصد بازگشته است.
این آزمایش نشان میدهد که حتی اگر باتری لیتیوم فسفات آهن بیش از{{0}}دشارژ شده باشد (حتی تا ۰ ولت) و برای مدت زمان معینی ذخیره شود، باتری نشتی نخواهد داشت و آسیب نمیبیند. این مشخصه ای است که انواع دیگر باتری های لیتیوم-یون آن را ندارند.
مزایای باتری لیتیوم آهن فسفات
1. بهبود عملکرد ایمنی
پیوند P{0}} در کریستال فسفات آهن لیتیوم پایدار است و تجزیه آن دشوار است. حتی در دمای بالا یا شارژ بیش از حد، فرو نمی ریزد و مانند اکسید لیتیوم کبالت گرما ایجاد نمی کند یا مواد اکسید کننده قوی تشکیل نمی دهد، بنابراین ایمنی خوبی دارد. گزارشی اشاره کرد که در عملیات واقعی، بخش کوچکی از نمونهها در طب سوزنی یا آزمایشهای مدار کوتاه{1} میسوختند، اما هیچ انفجاری رخ نداد. در آزمایش اضافه شارژ، از شارژ ولتاژ بالا که چندین برابر ولتاژ تخلیه خود- بود استفاده شد و مشخص شد که هنوز پدیده انفجار وجود دارد. با این وجود، ایمنی شارژ بیش از حد آن در مقایسه با باتریهای اکسید کبالت لیتیوم الکترولیت مایع معمولی بسیار بهبود یافته است.
2. بهبود طول عمر
باتری لیتیوم فسفات آهن به باتری لیتیوم یونی اطلاق می شود که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده الکترود مثبت استفاده می کند.
The cycle life of a long-life lead-acid battery is about 300 times, and the highest is 500 times, while the cycle life of a lithium iron phosphate power battery is more than 2000 times, and the standard charge (5 hour rate) use can reach 2000 times. Lead-acid batteries of the same quality are "new half a year, half a year old, and half a year for maintenance", which is 1 to 1.5 years at most, while the lithium iron phosphate battery is used under the same conditions, and the theoretical life will reach 7 to 8 years. Considering comprehensively, the performance-price ratio is theoretically more than 4 times that of lead-acid batteries. High-current discharge can quickly charge and discharge high current 2C. With a dedicated charger, the battery can be fully charged within 40 minutes of 1.5C charging, and the starting current can reach 2C, but lead-acid batteries have no such performance.
3. عملکرد خوب در دمای بالا
پیک گرمایش الکتریکی لیتیوم فسفات آهن می تواند به 350 برسددرجه-500درجه، در حالی که لیتیوم منگنات و لیتیوم کبالتات فقط حدود 200 استدرجه. محدوده دمای عملیاتی گسترده (-20C-75C)، با مقاومت در برابر دمای بالا، پیک گرمایش الکتریکی لیتیوم آهن فسفات می تواند به 350 برسد.درجه-500درجه، در حالی که لیتیوم منگنات و لیتیوم کبالتات فقط حدود 200 استدرجه.
4. ظرفیت زیاد
زمانی که باتری همیشه به طور کامل شارژ شده و تخلیه نشده باشد، ظرفیت باتری به سرعت از مقدار ظرفیت نامی پایین میآید. این پدیده اثر حافظه نامیده می شود. مانند باتریهای Ni-MH و Ni-Cd، حافظه وجود دارد، اما باتریهای لیتیوم فسفات آهن این پدیده را ندارند. مهم نیست که باتری در چه وضعیتی باشد، می توان آن را در هر زمان بدون نیاز به تخلیه آن قبل از شارژ، شارژ و استفاده کرد.
6. وزن سبک
حجم باتری لیتیوم آهن فسفات با همان مشخصات و ظرفیت 2/3 حجم باتری سرب-اسیدی و وزن آن 1/3 باتری سرب-اسیدی است.
7. حفاظت از محیط زیست
باتریهای لیتیوم فسفات آهن عموماً فاقد هرگونه فلز سنگین و فلزات کمیاب هستند (نیکل-باتری هیدروژن به فلزات کمیاب نیاز دارد)، غیر سمی (دارای گواهی SGS)، غیر- آلاینده، مطابق با مقررات اروپایی RoHS، و گواهی باتری سبز مطلق.
معایب باتری های لیتیوم آهن فسفات
این که آیا یک ماده دارای پتانسیل توسعه برنامه است، علاوه بر توجه به مزایای آن، نکته مهم تر این است که آیا مواد دارای عیوب اساسی هستند یا خیر.
1. در فرآیند پخت در طی تهیه فسفات آهن لیتیوم، اکسید آهن ممکن است در یک اتمسفر کاهنده دمای بالا به آهن عنصری تبدیل شود. آهن عنصری میتواند باعث اتصال کوتاه میکرو{2}} باتری شود که تابوترین ماده در باتری است. این همچنین دلیل اصلی عدم استفاده ژاپن از این ماده به عنوان ماده الکترود مثبت برای برق باتریهای لیتیومی- است.
2. فسفات آهن لیتیوم دارای برخی نقص های عملکردی است، مانند چگالی شیر کم و چگالی تراکم، که در نتیجه چگالی انرژی باتری های لیتیوم یونی کم است. عملکرد دمای پایین ضعیف است، حتی اگر نانومتری و پوشش کربنی داشته باشد، این مشکل حل نمی شود. وقتی دکتر دان هیلبراند، مدیر مرکز سیستم ذخیره انرژی آزمایشگاه ملی آرگون، در مورد عملکرد باتریهای لیتیوم آهن فسفات در دمای پایین صحبت کرد، آن را وحشتناک توصیف کرد. نتایج آزمایش آنها بر روی باتریهای لیتیوم فسفات آهن لیتیوم{2}}یون نشان داد که باتریهای لیتیوم فسفات آهن در دمای پایین هستند. (زیر 0درجهج) امکان رانندگی با ماشین برقی وجود ندارد. اگرچه برخی از سازندگان ادعا میکنند که میزان نگهداری ظرفیت باتریهای لیتیوم فسفات آهن در دماهای پایین خوب است، در این شرایط زمانی است که جریان تخلیه کم و ولتاژ قطع{0}دشارژ بسیار کم است. در این شرایط دستگاه به هیچ وجه نمی تواند شروع به کار کند.
3. هزینه آماده سازی مواد و هزینه ساخت باتری نسبتاً بالا است، بازده باتری کم است و قوام ضعیف است. اگرچه نانومتری و پوشش کربن لیتیوم فسفات آهن باعث بهبود عملکرد الکتروشیمیایی این ماده می شود، اما مشکلات دیگری مانند کاهش چگالی انرژی، افزایش هزینه سنتز، عملکرد ضعیف پردازش الکترود و الزامات زیست محیطی سخت را به همراه دارد. اگرچه عناصر شیمیایی Li، Fe و P در فسفات آهن لیتیوم فراوان و هزینه آن پایین است، اما قیمت تمام شده محصول لیتیوم آهن فسفات کم نیست. حتی اگر هزینه های تحقیق و توسعه قبلی حذف شود، هزینه فرآیند مواد بیشتر است. هزینه آماده سازی باتری، هزینه ذخیره انرژی واحد نهایی را بالاتر می برد.
4. ثبات محصول ضعیف. در حال حاضر هیچ کارخانه تولید مواد فسفات آهن لیتیوم در چین وجود ندارد که بتواند این مشکل را حل کند. از منظر آمادهسازی مواد، واکنش سنتز لیتیوم فسفات آهن یک واکنش چند فازی پیچیده است، از جمله فسفاتهای فاز جامد، اکسیدهای آهن و نمکهای لیتیوم، به علاوه پیشسازهای کربن و فازهای گاز کاهنده. در این فرآیند واکنش پیچیده، اطمینان از سازگاری واکنش دشوار است.
5. مسائل مالکیت فکری. در حال حاضر، حق اختراع پایه لیتیوم فسفات آهن متعلق به دانشگاه تگزاس است، در حالی که حق اختراع پوشش کربن توسط کانادایی ها اعمال می شود. این دو اختراع اساسی را نمی توان دور زد. اگر حق امتیاز در هزینه لحاظ شود، هزینه محصول بیشتر افزایش می یابد.
تگ های محبوب: چراغ خیابانی یکپارچه خورشیدی با استفاده از باتری لیتیوم فسفات آهن po4
