La durata del ciclo della batteria può raggiungere circa 10000 volte, la scarica è stabile ed è ampiamente utilizzata nelle batterie di alimentazione e nei campi di accumulo di energia. Tuttavia, la velocità della sua promozione e l'ampiezza e la profondità della sua applicazione non sono soddisfacenti. Oltre al prezzo e alla consistenza del lotto causati dal materiale stesso della batteria, i fattori che ne ostacolano la rapida promozione, anche le sue prestazioni di temperatura sono un fattore importante. Questo articolo esamina l'influenza della temperatura sulle prestazioni delle batterie polianioniche agli ioni di sodio confrontandole alle litio ferro fosfato, nonché le condizioni di carica e scarica del pacco batteria ad alte e basse temperature.
Batterie agli ioni di sodio NFPP-HC (catodo di fosfato di ferro e sodio e anodo di carbonio duro)può funzionare bene e mostrare prestazioni di ciclo stabili a temperature fino a -10 °C . Le prestazioni a questa temperatura sono spesso un obiettivo chiave per applicazioni pratiche "per tutti i climi".
Dettagli specifici sulle prestazioni delle celle NFPP-HC a basse temperature:
- Eccellente stabilità ciclica: gli studi hanno dimostrato che le celle a sacchetto NFPP-HC possono ciclare con elevata ritenzione di capacità anche a basse temperature. Mentre a -10°C LFP non può lavorare a questa temperatura perché perde il 50% della capacità di ritenzione a soli 100 cicli.
- Mantenimento della capacità a -20°C: uno studio ha riportato un mantenimento della capacità dell'89,2% dopo 500 cicli a -20°C, con un'elevata efficienza coulombiana superiore al 99,9%. Un altro studio ha riportato un mantenimento della capacità dell'89,67% dopo 1800 cicli a -20°C per l'anodo HC in una configurazione a mezza cella e l'85% della capacità a temperatura ambiente per una cella completa.
- Funzionalità a temperature estremamente basse: è stato dimostrato che le celle complete NFPP/HC modificate forniscono una densità energetica di 60 Wh kg⁻¹ a -70°C e funzionano con un elettrodomestico a -50°C, dimostrando il potenziale di funzionamento in ambienti estremamente freddi con elettroliti specializzati.
- Ampio intervallo operativo: il materiale catodico NFPP è stato testato per un'ampia tolleranza alla temperatura, da -40°C a 60°C.
Questi risultati indicano che la chimica della batteria NFPP-HC è un candidato promettente per applicazioni che richiedono prestazioni affidabili in climi freddi, anche a -10°C.
CONFRONTO ALLE LITIO LFP
In base alla temperatura ambiente 1C/1C, condizione DOD 100%, la busta NFPP ha effettuato test in tempo reale per 1141 cicli fino al 95,7% di ritenzione della capacità e la cella cilindrica per 1438 cicli fino al 94,7%.
Si stima che questa cella NFPP a sacchetto possa raggiungere 15.000 cicli all'80% di SOH e quella cilindrica fino a 13.000 cicli..
Riassunto del ciclo di una singola batteria (modulo) LFP a temperatura ambiente
Durata del ciclo della batteria LFP a temperatura ambiente che la batteria al litio ferro fosfato si ottengono 3300 cicli a un tasso di ritenzione della capacità è ancora del 90% e la fine del ciclo di vita dell'80% può essere di circa 4000 volte.
Il ciclo di vita dei seguenti moduli è il dato di base che la maggior parte dei fosfati di ferro di litio può ottenere attualmente. In questo modo, il BMS deve bilanciare regolarmente il pacco batteria durante l'uso per ridurre la differenza tra le celle e prolungare la durata della batteria. Ciclo del modulo 2800cyc, con un tasso di ritenzione della capacità del 67,26%.
A 60°C di temperatura elevata e con DOD del 100%, l'NFPP esegue 2372 cicli all'87,3% di SOH su 1C/1C, 3890 cicli all'84,59% di SOH su 1C/5C; la scarica rapida garantisce una durata ancora maggiore per questa chimica.
A -10°C, la maggior parte delle prestazioni del ciclo SIB a ossido stratificato sono peggiori, a meno che non venga utilizzato un elettrolita appositamente progettato per le basse temperature.
Tuttavia, l'NFPP continua a ottenere 188 cicli al 98% di SOH a 0,3°C/0,3°C con DOD del 100%, il che significa circa 1880 cicli all'80% di SOH. Grazie alla sua struttura interna, è più stabile rispetto ad altri SIB.
Riepilogo del ciclo ad alta temperatura del monomero delle LFP
A temperature elevate, la durata dell'invecchiamento della batteria viene accelerata. Il ciclo ad alta temperatura viene completato a 1100 cicli e il tasso di ritenzione della capacità è del 73,8% a 60 gradi.
Carica scarica rapida delle NFPP
Per quanto riguarda le prestazioni di ricarica rapida preferite dai veicoli elettrici, l'NFPP funziona piuttosto bene a 4C/4C per circa 3000 cicli all'80% SOH; anche la ricarica a 5C e 6C avrà buoni risultati, consentendo una ricarica completa del veicolo elettrico in 10 minuti.
Scarico continuo NFPP ad alto drenaggio 10C con ritenzione della capacità del 90,5%
Le batterie LFP (litio-ferro-fosfato) supportano ricariche e scariche veloci, caricando al 100% solo una volta alla settimana per calibrare il BMS. Le ricariche e scariche rapide, soprattutto se frequenti, possono accelerare la degradazione a causa del calore generato. Evitare scariche profonde e frequenti è fondamentale seno in pochi cicli si rompono.
Nel dettaglio, i ricercatori hanno scoperto che mantenere le batterie LFP completamente cariche crea composti nocivi nel pacco a causa dell'alta tensione e del calore. Quando si completa frequentemente un ciclo, cioè si scarica e si carica completamente, questi composti nocivi si depositano sull'elettrodo negativo, consumando il litio e causando il degrado.
"Con un SoC (state of charge) più elevato e una tensione più alta, le reazioni negative che si verificano all'interno dell'elettrolita vengono accelerate, consumando le scorte di litio", si legge.
La causa principale della perdita di capacità della batteria durante lo stoccaggio è la temperatura: temperature più elevate provocano la decomposizione termica degli elettrodi e dell'elettrolita.
La decomposizione dell'elettrolita aumenta lo spessore del film SEI ("Solid Electrolyte Interface") sull'anodo, che consuma ioni di litio, aumenta la resistenza interna e riduce la capacità della batteria. Questa decomposizione produce anche gas che aumentano la pressione interna e rappresentano un rischio per la sicurezza. Come mostrato nella Tabella, le batterie agli ioni di litio conservate allo stesso stato di carica (40%) perdono percentuali diverse della loro capacità nel corso di un anno a temperature variabili.
Il grado di degradazione aumenta con l'aumentare delle temperature, e le temperature estreme accelerano significativamente la perdita di capacità. Ad esempio, un aumento di 25 °C da 0 °C a 25 °C comporta una perdita di capacità di solo il 2%, mentre un aumento di 20 °C da 40 °C a 60 °C comporta una perdita di capacità del 10%.
Temperature superiori a 30 °C sono considerate stressanti per le batterie agli ioni di litio e possono comportare una significativa riduzione della durata utile. Per prolungare la durata delle batterie, si consiglia di conservarle a temperature comprese tra 5 °C e 20 °C.
Nelle batterie agli ioni di litio, la tensione a circuito aperto (OCV) aumenta con l'aumentare dello stato di carica (SOC). Durante lo stoccaggio, un SOC più elevato della batteria comporta un OCV più elevato. Tuttavia, un OCV elevato può portare alla crescita dell'interfaccia elettrolitica solida (SEI) e innescare l'ossidazione dell'elettrolita nelle batterie agli ioni di litio, con conseguente perdita di capacità e aumento della resistenza interna (IR).
La figura mostra i diversi tassi di degradazione delle batterie agli ioni di litio a vari valori dello stato di carica (SOC) in un periodo di conservazione di dieci anni. La capacità residua delle batterie agli ioni di litio diminuisce più rapidamente all'aumentare del valore SOC.
Per ridurre al minimo il degrado della batteria e prolungarne la durata, si consiglia di mantenere le batterie agli ioni di litio a uno stato di carica (SOC) moderato. Si consiglia di caricare o scaricare le batterie agli ioni di litio fino a circa il 50% dello SOC prima di riporle.
Curva di tensione di una tipica batteria LFP a diverse temperature. Quando si raffredda, la capacità utilizzabile diminuisce e la tensione crolla più rapidamente, il che significa che l'autoscarica e il consumo di energia del BMS diventano più rapidamente critici.
Mentre una temperatura elevata durante il funzionamento della batteria può migliorare temporaneamente le prestazioni, cicli prolungati ad alte temperature ne riducono la durata. Ad esempio, una batteria utilizzata a 30 °C ha una durata ridotta del 20%, mentre a 45 °C la batteria dura solo la metà rispetto a 20 °C.
I produttori specificano una temperatura operativa nominale di 27 °C per ottimizzare la durata della batteria. Al contrario, temperature estremamente basse aumentano la resistenza interna e riducono la capacità di scarica. Una batteria che offre il 100% della capacità a 27 °C avrà solo il 50% della capacità a -18 °C.
La capacità di scarica delle celle ai polimeri di litio varia con la temperatura, con capacità inferiori osservate a basse temperature (0 °C, -10 °C, -20 °C) rispetto a temperature più elevate (25 °C, 40 °C, 60 °C). La ricarica delle batterie agli ioni di litio a basse temperature (inferiori a 15 °C) può portare alla placcatura di litio a causa del rallentamento dell'incorporazione degli ioni di litio, che accelera il degrado della batteria aumentando la resistenza interna e riducendo ulteriormente la capacità di scarica.
L'influenza della bassa temperatura sulle prestazioni di carica e scarica
Figura 1 Curva di scarica della batteria al litio ferro fosfato a diverse temperature
A una temperatura di 0 ～ -20℃, la capacità di scarica della batteria è equivalente all'88,05%@0°C, 65,52%@-10°C e 38,88%@-20°C della capacità di scarica a una temperatura di 25℃; la tensione di scarica media è 3,134V@0°C, 2,963 V@-10°C e 2,788 V@-20°C a sua volta, -20℃ tensione di scarica media È 0,431 V inferiore a quella a 25℃. Dall'analisi di cui sopra, si può vedere che al diminuire della temperatura, la tensione di scarica media e la capacità di scarica delle batterie agli ioni di litio diminuiscono, specialmente quando la temperatura è -20℃, la capacità di scarica e la tensione di scarica media della batteria diminuiscono Più veloce.
Figura 2 Curva di scarica della batteria al SODIO ferro fosfato a diverse temperature NFPP 0.2C -20~40℃ around 90-95% capacity retention
Da un punto di vista elettrochimico le celle LFP, la resistenza della soluzione e la resistenza del film SEI non cambiano molto nell'intero intervallo di temperatura e hanno scarso impatto sulle prestazioni a bassa temperatura della batteria; la resistenza al trasferimento di carica aumenta in modo significativo con la diminuzione della temperatura e varia con la temperatura nell'intero intervallo di temperatura. Le modifiche sono significativamente maggiori rispetto alla resistenza alla soluzione e alla resistenza del film SEI. Questo perché al diminuire della temperatura, la conduttività ionica dell'elettrolita diminuisce e la resistenza del film SEI e la resistenza della reazione elettrochimica aumentano, determinando un aumento della polarizzazione ohmica, della polarizzazione della concentrazione e della polarizzazione elettrochimica a basse temperature. La curva di scarica della batteria mostra che la tensione media e la capacità di scarica diminuiscono entrambe al diminuire della temperatura.
Figura 3 Dopo aver caricato e scaricato la batteria 5 volte a bassa temperatura
Si può vedere dalla Figura 3 che dopo aver ciclato a -20℃ per 5 volte e continuato a farlo a 25℃, la capacità e la velocità di scarica della batteria vengono ridotte. Questo perché al diminuire della temperatura, la conduttività ionica dell'elettrolita diminuisce. L'aumento della polarizzazione ohmica, della polarizzazione della concentrazione e della polarizzazione elettrochimica durante la carica a bassa temperatura porta alla deposizione di litio metallico e alla decomposizione dell'elettrolita. Alla fine, il film SEI sulla superficie dell'elettrodo si ispessisce e la resistenza del film SEI aumenta, il che si manifesta nella curva di scarica quando la velocità di scarica e la capacità di scarica diminuiscono.
1. L'influenza della bassa temperatura sulle prestazioni del ciclo
Fig. 4 Curva di ciclo del tasso di scarica di 0.5C della batteria Li-ion a temperatura ambiente
Figura5 Curva del ciclo della velocità di scarica di 0,5 C della batteria agli ioni di litio a -10℃
Si può vedere dalla figura che la capacità della batteria decade rapidamente in un ambiente di -10 ° C. Dopo 100 cicli, la capacità è di soli 59 mAh / ge la capacità diminuisce del 47,8%. La batteria che è stata scaricata a bassa temperatura viene posta a una temperatura normale per il test di carica-scarica per esaminare le prestazioni di recupero della capacità. La sua capacità è stata ripristinata a 70,8 mAh / g, con una perdita di capacità del 68%. Si può vedere che il ciclo a bassa temperatura della batteria ha un impatto maggiore sul recupero della capacità della batteria.
2. L'impatto sulle prestazioni di sicurezza a tutte le temperature
Le batterie NFPP sono estremamente sicure a tutte le temperature senza grandi problemi di degrado e sicurezza.
La carica della batteria agli ioni di litio è un processo in cui gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo positivo attraverso la migrazione dell'elettrolito e inseriti nel materiale dell'elettrodo negativo. Gli ioni di litio polimerizzano all'elettrodo negativo e sei atomi di carbonio catturano uno ione di litio. A basse temperature, l'attività di reazione chimica diminuisce e la migrazione degli ioni di litio rallenta. Gli ioni di litio sulla superficie dell'elettrodo negativo non sono stati inseriti nell'elettrodo negativo e sono stati ridotti a litio metallico e precipitati sulla superficie dell'elettrodo negativo per formare dendriti di litio, che sono facili da perforare. Il diaframma provoca un cortocircuito nella batteria, che danneggia la batteria e provoca un incidente di sicurezza.
Può essere derivato dai dati di cui sopra, batterie al litio ferro fosfato sono notevolmente influenzati dalla temperatura. Nell'area di applicazione della batteria di potenza e nell'ambiente di applicazione in cui la temperatura ha un grande impatto, la gestione termica della batteria (raffreddamento ad aria, a liquido, ecc.) è necessaria per migliorare l'efficienza della batteria e prolungare la vita utile del sistema della batteria.
Fattori che influenzano la consistenza delle batterie al litio ferro fosfato
1. La qualità delle materie prime: in particolare, i materiali al litio ferro fosfato sono cose nuove e le apparecchiature di produzione e il processo di sintesi non sono sicuri e maturi e la qualità è soggetta a fluttuazioni, che influiscono sulla consistenza dei prodotti della batteria.
2. Ambiente di produzione: la batteria al litio ferro fosfato è un prodotto high-tech con molte materie prime chimiche e processi complicati. Il suo ambiente di produzione ha requisiti elevati in termini di temperatura, umidità, polvere, ecc. Se non è controllato in posizione, la qualità della batteria varierà.
3. Attrezzature di produzione: minore è il numero di ingredienti manuali nel processo di produzione e maggiore è il grado di automazione delle apparecchiature, migliore è la consistenza della batteria al litio ferro fosfato.
Per le batterie al litio ferro fosfato, sia lo scaricamento eccessivo che il sovraccarico danneggiano la capacità della batteria. Il modo corretto di utilizzare le batterie al litio è caricarle quando c'è carica residua; evitare di ricaricare quando l'energia è esaurita ed evitare il sovraccarico. La migliore temperatura di funzionamento per le batterie al litio è compresa tra 0 e 35 gradi Celsius. L'ambiente a bassa temperatura ridurrà l'attività degli ioni di litio, la capacità di scarica della batteria sarà indebolita e il tempo di utilizzo sarà ridotto. Se la batteria al litio si trova in un ambiente a bassa temperatura per un breve periodo, questo danno è solo temporaneo e non danneggerà la capacità della batteria. Quando la temperatura aumenta, le prestazioni riprenderanno.
Tuttavia, se la batteria al litio ferro fosfato viene utilizzata, caricata e scaricata a lungo in un ambiente a bassa temperatura, il litio metallico precipiterà sulla superficie dell'anodo della batteria. Questo processo è irreversibile e danneggerà in modo permanente la capacità della batteria.
Un camion pieno di moduli LFP ha preso fuoco in autostrada
NFPP non teme spesso sovrascarica a 0 V, che possono essere spediti o immagazzinati come carichi senza elettricità poiché non c'è tensione, quindi è sicuro e puoi stare tranquillo.
Ha superato il test di penetrazione dei chiodi, un'operazione semplice per la maggior parte delle combinazioni NFPP.
Se si carica eccessivamente una singola cella a 30 V, questa si gonfia a causa della generazione di gas.
Lo schiacciamento e l'impatto con oggetti pesanti non hanno causato danni.
