Hvordan finne lykke med LiFePO4 (litium-ion) batterier

Prissetting av litium-ion-batterier endrer seg sakte fra uanstendig dyrt til bare moderat uoverkommelig, og vi i BSLBATT ser en jevn økning i salget av denne typen batterier.De fleste brukere ser ut til å sette dem på jobb i bobiler, femtehjul, bobiler og lignende kjøretøy, mens noen går inn i faktiske stasjonære off-grid-systemer.

Denne artikkelen vil snakke om en spesifikk kategori av litium-ion-batterier;Litium-jern-fosfat eller LiFePO4 i sin kjemiske formel, også forkortet som LFP-batterier.Disse er litt forskjellige fra det du har i mobiltelefonen og den bærbare datamaskinen, det er (for det meste) litium-kobolt-batterier.Fordelen med LFP er at den er mye mer stabil, og ikke utsatt for selvforbrenning.Det betyr ikke at batteriet ikke kan brenne i tilfelle skade: Det er mye energi lagret i et ladet batteri, og i tilfelle en uplanlagt utlading kan resultatene bli veldig interessante veldig raskt!LFP varer også lenger sammenlignet med litium-kobolt, og er mer temperaturstabil.Av alle de forskjellige litiumbatteriteknologiene som finnes, gjør dette LFP best egnet for dypsyklusapplikasjoner!

Vi vil anta at batteriet har et BMS eller Battery Management System, slik nesten alle LFP-batterier som selges som en 12/24/48 Volt-pakke gjør.BMS tar seg av å beskytte batteriet;den kobler fra batteriet når det er utladet, eller truer med å bli overladet.BMS tar seg også av å begrense lade- og utladningsstrømmene, overvåker celletemperatur (og begrenser ladning/utlading om nødvendig), og de fleste vil balansere cellene hver gang en full ladning gjøres (tenk på balansering som å bringe alle cellene inn i batteripakken til samme ladetilstand, lik utjevning for et blybatteri).Med mindre du liker å leve på kanten, IKKE KJØP et batteri uten BMS!

Det som følger nedenfor er kunnskapen som er hentet fra et stort antall nettartikler, bloggsider, vitenskapelige publikasjoner og diskusjoner med LFP-produsenter.Vær forsiktig med hva du tror, ​​det er mye feilinformasjon der ute!Selv om det vi skriver her på ingen måte er ment som den ultimate guiden til LFP-batterier, er vårt håp at denne artikkelen skjærer gjennom storfeekskrementene og gir solide retningslinjer for å få mest mulig ut av litium-ion-batteriene dine.

Hvorfor litium-ion?

Vi forklarte i artikkelen vår om blybatterier hvordan akilleshælen i den kjemien sitter på en delvis ladning for lenge.Det er for lett å finne en dyr bly-syre batteribank på bare måneder ved å la den stå på en delvis lading.Det er veldig annerledes for LFP!Du kan la litium-ion-batterier sitte på en delvis ladning for alltid uten skade.Faktisk foretrekker LFP å sitte på en delvis lading i stedet for å være helt full eller tom, og for lang levetid er det bedre å sykle batteriet eller å la det sitte på en delvis lading.

Men vent!Det er mer!

Litium-ion-batterier er nesten den hellige gral av batterier: Med de riktige ladeparametrene kan du nesten glemme at det er et batteri.Det er ikke vedlikehold.BMS tar seg av det, og du kan gjerne sykle avgårde!

Men vent!Det er fortsatt mer!(Enhver likhet med visse inforeklamer er rent tilfeldig, og ærlig talt misliker vi forslaget!)...

LFP-batterier kan også vare veldig lenge.Våre BSLBATT LFP-batterier er vurdert til 3000 sykluser, med en full 100 % lade-/utladingssyklus.Hvis du gjorde det hver dag, gir det over 8 år med sykling!De varer enda lenger når de brukes i mindre enn 100 % sykluser, faktisk for enkelhets skyld kan du bruke et lineært forhold: 50 % utladingssykluser betyr dobbelt så mange sykluser, 33 % utladningssykluser og du kan rimeligvis forvente tre ganger syklusene.

Men vent!Det er mer ennå!...

Et LiFePO4-batteri veier også mindre enn 1/2 av et blybatteri med tilsvarende kapasitet.Den kan håndtere store ladestrømmer (100 % av Ah-klassifiseringen er ikke noe problem, prøv det med blysyre!), gir mulighet for rask lading, den er forseglet slik at det ikke er røyk, og den har en veldig lav selvutladningshastighet ( 3 % i måneden eller mindre).

Batteribankstørrelse for LFP

Vi antydet dette ovenfor: Litium-ion-batterier har 100 % brukbar kapasitet, mens blysyre egentlig ender på 80 %.Det betyr at du kan dimensjonere en LFP-batteribank mindre enn en blysyrebank, og fortsatt ha den samme funksjonelt.Tallene antyder at LFP kan være 80 % av Amp-timestørrelsen til blysyre.Det er mer til dette skjønt.

For lang levetid bør blybatterier ikke dimensjoneres der de regelmessig ser utlading under 50 % SOC.Med LFP er det ikke noe problem!Rundtursenergieffektivitet for LFP er ganske mye bedre enn blysyre også, noe som betyr at det trengs mindre energi for å fylle opp tanken etter et visst utslippsnivå.Det resulterer i raskere gjenoppretting tilbake til 100 %, mens vi allerede hadde en mindre batteribank, noe som forsterker denne effekten enda mer.

Poenget er at vi ville være komfortable med å dimensjonere en litiumionbatteribank til 75 % av størrelsen til en tilsvarende blysyrebank, og forvente samme (eller bedre!) ytelse.Inkludert på de mørke vinterdagene når sola er mangelvare.

Men vent litt!

Er litium-ion virkelig løsningen på alle våre batteriproblemer?Vel, ikke helt...

LFP-batterier har også sine begrensninger.En stor en er en temperatur: Du kan ikke lade et litium-ion-batteri under frysepunktet, eller null grader.Blysyre kunne ikke brydd seg mindre om dette.Du kan fortsatt lade ut batteriet (ved et midlertidig kapasitetstap), men lading kommer ikke til å skje.BMS-en bør passe på å blokkere lading ved minusgrader, og unngå utilsiktet skade.

Temperatur er også et problem i den høye enden.Den største enkeltårsaken til aldring av batteriene er bruk eller bare lagring ved høye temperaturer.Opp til rundt 30 grader er det ikke noe problem.Selv 45 Celsius pådrar seg ikke for mye straff.Alt høyere akselererer virkelig aldring og til slutt slutten av batteriet.Dette inkluderer oppbevaring av batteriet når det ikke blir syklet.Vi vil snakke om dette mer detaljert senere når vi diskuterer hvordan LFP-batterier svikter.

Det er et lurt problem som kan dukke opp når du bruker ladekilder som potensielt gir høy spenning: Når batteriet er fullt, vil spenningen stige med mindre ladekilden slutter å lade.Hvis den stiger nok, vil BMS beskytte batteriet og koble det fra, og la ladekilden stige enda mer!Dette kan være et problem med (dårlige) bilgeneratorens spenningsregulatorer, som alltid må se en belastning, ellers vil spenningen stige og diodene slipper ut den magiske røyken.Dette kan også være et problem med små vindturbiner som er avhengige av batteriet for å holde dem under kontroll.De kan stikke av når batteriet forsvinner.

Så er det den bratte, bratte, første kjøpesummen!

Men vi vedder på at du fortsatt vil ha en!...

Hvordan fungerer et LiFePO4-batteri?

Litium-ion-batterier omtales som en type "gyngestol"-batteri: De flytter ioner, i dette tilfellet litiumioner, fra den negative til den positive elektroden når de utlades, og tilbake igjen når de lades.Tegningen til høyre viser hva som foregår på innsiden.De små røde kulene er litiumionene, som beveger seg frem og tilbake mellom de negative og positive elektrodene. På venstre side er den positive elektroden, konstruert av litium-jern-fosfat (LiFePO4).Dette burde bidra til å forklare navnet på denne typen batteri!Jern- og fosfationene danner et rutenett som løst fanger litiumionene.Når cellen lades, blir litiumionene trukket gjennom membranen i midten, til den negative elektroden til høyre.Membranen er laget av en type polymer (plast), med mange bitte små porer i seg, noe som gjør det lett for litiumionene å passere gjennom.På den negative siden finner vi et gitter laget av karbonatomer, som kan fange og holde de litiumionene som krysser over.

Utlading av batteriet gjør det samme omvendt: Når elektroner strømmer bort gjennom den negative elektroden, går litiumionene igjen på bevegelse, gjennom membranen, tilbake til jernfosfatgitteret.De lagres igjen på den positive siden til batteriet lades opp igjen.

Hvis du virkelig har vært oppmerksom, forstår du nå at batteritegningen til høyre viser et LFP-batteri som er nesten helt utladet.Nesten alle litiumionene er på siden av den positive elektroden.Et fulladet batteri vil ha alle litiumionene lagret inne i karbonet til den negative elektroden.

I den virkelige verden er litiumionceller bygget av svært tynne lag av alternerende aluminium – polymer – kobberfolier, med kjemikaliene limt på dem.Ofte rulles de sammen som en gelérull, og legges i en stålbeholder, omtrent som et AA-batteri.12 Volt litium-ion-batteriene du kjøper er laget av mange av disse cellene, koblet i serie og parallelt for å øke spenningen og ampere-timekapasiteten.Hver celle er rundt 3,3 volt, så 4 av dem i serie utgjør 13,2 volt.Det er akkurat den rette spenningen for å bytte ut et 12 volt blybatteri!

Lader et LFP-batteri

De fleste vanlige solcelleladekontrollere har ingen problemer med å lade litium-ion-batterier.Spenningene som trengs er svært like de som brukes for AGM-batterier (en type forseglet bly-syre-batteri).BMS hjelper også med å sørge for at battericellene ser riktig spenning, ikke blir overladet eller for mye utladet, den balanserer cellene og sikrer at celletemperaturen er innenfor rimelighetens grenser mens de lades.

Grafen nedenfor viser en typisk profil av et LiFePO4-batteri som lades.For å gjøre det lettere å lese har spenningene blitt konvertert til det en 12 volt LFP-batteripakke ville se (4x encellet spenning).

Vist i grafen er en ladehastighet på 0,5C, eller halvparten av Ah-kapasiteten, med andre ord for et 100Ah batteri vil dette være en ladehastighet på 50 Amp.Ladespenningen (i rødt) vil egentlig ikke endre seg mye for høyere eller lavere ladehastigheter (i blått), LFP-batterier har en veldig flat spenningskurve.

Litium-ion-batterier lades i to trinn: For det første holdes strømmen konstant, eller med solcelle-PV som generelt betyr at vi prøver å sende så mye strøm inn i batteriene som tilgjengelig fra solen.Spenningen vil sakte stige i løpet av denne tiden, til den når "absorber" spenningen, 14,6V i grafen ovenfor.Når absorberingen er nådd, er batteriet omtrent 90 % fullt, og for å fylle på resten av måten holdes spenningen konstant mens strømmen sakte avtar.Når strømmen faller til rundt 5 % – 10 % av Ah-vurderingen til batteriet, er den på 100 % ladetilstand.

På mange måter er et litiumionbatteri lettere å lade enn et blybatteri: Så lenge ladespenningen er høy nok til å flytte ioner, lades den.Litium-ion-batterier bryr seg ikke om de ikke er helt 100 % ladet, faktisk varer de lenger hvis de ikke er det.Det er ingen sulfatering, det er ingen utjevning, absorberingstiden spiller ingen rolle, du kan ikke overlade batteriet, og BMS sørger for å holde ting innenfor rimelige grenser.

Så hvilken spenning er nok til å få disse ionene til å bevege seg?Litt eksperimentering viser at 13,6 Volt (3,4V per celle) er grensepunktet;under det skjer veldig lite, mens over det vil batteriet bli minst 95 % fullt gitt nok tid.Ved 14,0 Volt (3,5V per celle) lader batteriet enkelt opp til 95+ prosent med noen timers absorpsjonstid og for all del er det liten forskjell i lading mellom 14,0 eller høyere Spenninger, ting skjer bare litt raskere ved 14,2 Volt og over.

Bulk/absorber spenning

For å oppsummere dette, vil en bulk/absorb-innstilling mellom 14,2 og 14,6 Volt fungere utmerket for LiFePO4!Lavere er også mulig, ned til ca. 14,0 Volt, ved hjelp av litt absorbsjonstid.Litt høyere spenninger er mulig, BMS for de fleste batterier vil tillate rundt 14,8 – 15,0 Volt før du kobler fra batteriet.Det er imidlertid ingen fordel med en høyere spenning, og større risiko for å bli kuttet av BMS, og muligens skade.

Flytespenning

LFP-batterier trenger ikke å være flytende.Ladekontrollere har dette fordi blybatterier har så høy selvutladningshastighet at det er fornuftig å fortsette å sildre inn mer ladning for å holde dem fornøyde.For litium-ion-batterier er det ikke bra hvis batteriet hele tiden har en høy ladetilstand, så hvis ladekontrolleren din ikke kan deaktivere flyten, bare sett den til en lav nok spenning til at ingen faktisk lading vil skje.Enhver spenning på 13,6 volt eller mindre vil gjøre det.

Utjevn spenning

Med ladespenninger over 14,6 volt aktivt frarådes, bør det være klart at ingen utjevning bør gjøres til et litium-ion-batteri!Hvis equalize ikke kan deaktiveres, sett den til 14,6V eller mindre, så det blir bare en vanlig absorberende ladesyklus.

Absorber tid

Det er mye å si for å bare sette absorberingsspenningen til 14,4V eller 14,6V, og så bare slutte å lade når batteriet når den spenningen!Kort sagt, null (eller kort) absorberingstid.På det tidspunktet vil batteriet ditt være rundt 90 % fullt.LiFePO4-batterier vil være lykkeligere i det lange løp når de ikke sitter på 100 % SOC for lenge, så denne praksisen vil forlenge batterilevetiden.Hvis du absolutt må ha 100 % SOC i batteriet, så vil absorb gjøre det!Offisielt nås dette når ladestrømmen faller til 5 % – 10 % av Ah-klassifiseringen til batteriet, altså 5 – 10 Amp for et 100Ah batteri.Hvis du ikke kan slutte å absorbere basert på strøm, sett deretter absorberingstiden til ca. 2 timer og kall det en dag.

Temperaturkompensasjon

LiFePO4-batterier trenger ikke temperaturkompensasjon!Slå av dette i ladekontrolleren, ellers vil ladespenningen være helt av når det er veldig varmt eller kaldt.

Sørg for å sjekke ladekontrolleren Spenningsinnstillingene mot de som faktisk er målt med et digitalt multimeter av god kvalitet!Små endringer i spenning kan ha stor innvirkning når du lader et litium-ion-batteri!Endre ladeinnstillingene tilsvarende!

Utlading av et LFP-batteri

I motsetning til bly-syre-batterier, forblir spenningen til et litium-ion-batteri veldig konstant under utlading.Det gjør det vanskelig å spå ladetilstanden fra spenning alene.For et batteri med moderat belastning ser utladingskurven ut som følger.

Mesteparten av tiden under utlading vil batterispenningen være rett rundt 13,2 volt.Den varierer med bare 0,2 Volt hele veien fra 99 % til 30 % SOC.For ikke lenge siden var det en Very Bad Idea™ å gå under 20 % SOC for et LiFePO4-batteri.Det har endret seg, og den nåværende avlingen av LFP-batterier vil ganske lystig utlades helt ned til 0 % i mange sykluser.Det er imidlertid en fordel med å sykle mindre dypt.Det er ikke bare det at å sykle til 30 % SOC vil gi deg 1/3 flere sykluser sammenlignet med å sykle ned til 0 %, batteriet ditt vil sannsynligvis leve i flere sykluser enn det.Vanskelige tall er, vel, vanskelige å finne, men å sykle ned til 50 % SOC ser ut til å vise rundt 3 ganger sykluslevetiden kontra 100 % sykling.

Nedenfor er en tabell som viser batterispenning for en 12-volts batteripakke vs. dybde-av-utlading.Ta disse spenningsverdiene med en klype salt, utladningskurven er så flat at det virkelig er vanskelig å bestemme SOC fra spenning alene.Små variasjoner i belastningen og nøyaktigheten til voltmåleren vil avbryte målingen.

Oppbevaring av litium-ion-batterier  

Den svært lave selvutladingshastigheten gjør det enkelt å lagre LFP-batterier, selv over lengre perioder.Det er ikke noe problem å legge bort et litiumionbatteri i et år, bare sørg for at det er litt ladning i det før du legger det i oppbevaring.Noe mellom 50% – 70% er greit, det vil gi batteriet veldig lang tid før selvutlading bringer spenningen nær farepunktet.

Å lagre batterier under frysepunktet er greit, de fryser ikke og bryr seg ikke så mye om temperaturen.Prøv å unngå å lagre dem ved høye temperaturer (45 Celsius og over), og prøv å unngå å oppbevare dem helt fulle hvis mulig (eller nesten tomme).

Hvis du trenger å lagre batterier i lengre perioder, må du bare koble fra alle ledninger fra dem.På den måten kan det ikke være noen herreløse laster som sakte utlader batteriene.

Slutten på litiumionbatteriene dine

Vi hører deg gispe av redsel;tanken på at den dyrebare LFP-batteribanken din er, sender ikke lenger frysninger nedover ryggraden!Akk, alle gode ting må til slutt ta slutt.Det vi ønsker å forhindre er en slutt på det for tidlige slaget, og for å gjøre det må vi forstå hvordan litium-ion-batterier dør.

Batteriprodusenter anser et batteri som "dødt" når kapasiteten faller til 80 % av hva det burde være.Så for et 100Ah batteri kommer slutten når kapasiteten er nede på 80Ah.Det er to mekanismer som jobber mot utgangen av batteriet: Sykling og aldring.Hver gang du lader ut og lader batteriet, gjør det litt skade, og du mister litt kapasitet.Men selv om du legger ditt dyrebare batteri i et vakkert glassomsluttet helligdom, som aldri skal sykles, vil det likevel ta slutt.Den siste kalles kalenderliv.

Det er vanskelig å finne harde data om kalenderlevetid for LiFePO4-batterier, veldig lite er der ute.Noen vitenskapelige studier ble gjort på effekten av ekstremer (i temperatur og SOC) på kalenderlivet, og de hjelper til med å sette grenser.Det vi samler er at hvis du ikke misbruker batteribanken din, unngår ekstremer og generelt bare bruker batteriene innenfor rimelighetens grenser, er det en øvre grense på rundt 20 år på kalenderlevetid.

Foruten cellene inne i batteriet, er det også BMS, som er laget av elektroniske deler.Når BMS svikter, vil batteriet ditt også gjøre det.Litium-ion-batterier med innebygd BMS er fortsatt for nye, og vi må se, men til syvende og sist må batteristyringssystemet overleve like lenge som litium-ion-cellene gjør det også.

Prosesser inne i batteriet konspirerer over tid for å belegge grenselaget mellom elektroder og elektrolytter med kjemiske forbindelser som hindrer litiumionene i å komme inn og ut av elektrodene.Prosesser binder også litiumioner til nye kjemiske forbindelser, slik at de ikke lenger er tilgjengelige for å flytte fra elektrode til elektrode.Disse prosessene vil skje uansett hva vi gjør, men de er veldig avhengig av temperatur!Hold batteriene under 30 grader, og de er veldig trege.Gå over 45 Celsius og ting går betraktelig fart!Offentlig fiende nr.1 for litium-ion-batterier, langt på vei, er varme!

Det er mer til kalenderlivet og hvor raskt et LiFePO4-batteri eldes: State-Of-Charge har også noe med det å gjøre.Selv om høye temperaturer er dårlige, liker disse batteriene virkelig ikke å sitte på 0% SOC og veldig høye temperaturer!Også dårlig, men ikke fullt så ille som 0% SOC, er at de sitter ved 100% SOC og høye temperaturer.Svært lave temperaturer har mindre effekt.Som vi diskuterte, kan du ikke (og BMS vil ikke la deg) lade LFP-batterier under frysepunktet.Som det viser seg, har utladning under frysepunktet, selv om det er mulig, en akselerert effekt på aldring også.Ikke på langt nær så ille som å la batteriet sitte ved høy temperatur, men hvis du skal utsette batteriet for minusgrader er det bedre å gjøre det mens det verken lades eller lades ut og med litt gass i tanken (men ikke en Full tank).I en mer generell forstand er det bedre å legge bort disse batteriene ved rundt 50 % – 60 % SOC hvis de trenger langtidslagring.

Smeltet batteri

Hvis du virkelig vil vite det, hva som skjer når et litium-ion-batteri blir ladet under frysepunktet, er at metallisk litium avsettes på den negative (karbon) elektroden.Ikke på en fin måte heller, den vokser i skarpe, nållignende strukturer, som til slutt punkterer membranen og kortslutter batteriet (som fører til en spektakulær Rapid Unscheduled Disassembly Event som NASA kaller det, som involverer røyk, ekstrem varme og ganske muligens flammer også).Heldig for oss er dette noe BMS forhindrer fra å skje.

Vi går videre til sykluslivet.Det har blitt vanlig å få tusenvis av sykluser, selv ved en full 100% lade-utladingssyklus, ut av litium-ion-batterier.Det er noen ting du kan gjøre for å maksimere sykluslivet.

Vi snakket om hvordan LiFePO4-batterier fungerer: De flytter litiumioner mellom elektrodene.Det er viktig å forstå at dette er faktiske, fysiske partikler som har en størrelse.De dras ut av den ene elektroden og stappes inn i den andre, hver gang du lader-utlader batteriet.Dette forårsaker skade, spesielt på karbonet i den negative elektroden.Hver gang batteriet lades svulmer elektroden litt, og for hver utlading slanker den seg igjen.Over tid forårsaker det mikroskopiske sprekker.Det er på grunn av dette at å lade litt under 100 % vil gi deg flere sykluser, og det samme vil lade ut til litt over 0 %.Tenk også på disse ionene som å utøve "trykk", og ekstreme ladningstall utøver mer trykk, og forårsaker kjemiske reaksjoner som ikke er til fordel for batteriet.Det er grunnen til at LFP-batterier ikke liker å bli satt bort ved 100 % SOC eller satt i flytelading ved (nær) 100 %.

Hvor fort disse litiumionene blir dratt hit og yon har også en effekt på sykluslivet.I lys av ovenstående burde det ikke være noen overraskelse.Mens LFP-batterier rutinemessig vil gjøre lading og utlading ved 1C (dvs. 100 Amp for et 100Ah batteri), vil du se flere sykluser ut av batteriet hvis du begrenser dette til mer fornuftige verdier.Bly-syre-batterier har en grense på rundt 20 % av Ah-klassifiseringen, og å holde seg innenfor denne for litium-ion vil også ha fordeler for lengre batterilevetid.

Den siste faktoren som er verdt å nevne er spenning, selv om dette egentlig er hva BMS er designet for å holde i sjakk.Litium-ion-batterier har et smalt Spenningsvindu, for både lading og utlading.Å gå utenfor det vinduet resulterer veldig raskt i permanent skade og på den høye enden en mulig RUD Event (NASA-talk, som nevnt før).For LiFePO4 er dette vinduet omtrent 8,0V (2,0V per celle) til 16,8 Volt (4,2V per celle).Den innebygde BMS-en bør sørge for å holde batteriet godt innenfor disse grensene.

Ta-hjem-leksjoner

Nå som vi vet hvordan litium-ion-batterier fungerer, hva de liker og misliker, og hvordan de til slutt mislykkes, er det noen tips å ta bort.Vi har laget en liten liste nedenfor.Hvis du ikke skal gjøre noe annet, vær så snill å legg merke til de to første, de har desidert mest effekt på den totale tiden du får til å nyte litium-ion-batteriet ditt!Å ta hensyn til de andre vil også hjelpe, for å få batteriet til å vare enda lenger.

For å oppsummere, for lang og lykkelig LFP-batterilevetid, i viktig rekkefølge, bør du være oppmerksom på følgende:

● Hold batteritemperaturen under 45 Celsius (under 30C hvis mulig) – Dette er det aller viktigste!!
● Hold lade- og utladningsstrømmer under 0,5 C (0,2 C foretrekkes)
● Hold batteritemperaturen over 0 Celsius ved utlading hvis mulig – Dette og alt under er ikke på langt nær så viktig som de to første
● Ikke sykle under 10 % – 15 % SOC med mindre du virkelig trenger det
● Ikke flyt batteriet ved 100 % SOC hvis mulig
● Ikke lad til 100 % SOC hvis du ikke trenger det

Det er det!Nå kan du også finne lykke og tilfredsstillende liv med LiFePO4-batteriene dine!