Test a bassa temperatura per batterie agli ioni di litio

Test a bassa temperatura per batterie agli ioni di litio

La batteria al litio-ferro-fosfato è una batteria agli ioni di litio molto potenziale nel mercato attuale. Attualmente, la ricerca sulla batteria al litio ferro fosfato si concentra principalmente sul sistema di gestione della batteria e sulla stima dello stato di carica. Le sue prestazioni necessitano di ulteriori ricerche, soprattutto quelle a bassa temperatura. Attualmente, le apparecchiature dismesse utilizzate per la ricerca scientifica in Antartide sono alimentate essenzialmente da batterie al piombo, che causano un grave inquinamento.

Tuttavia, la potenza specifica e l'energia specifica delle batterie al litio-ferro-fosfato sono superiori a quelle delle batterie al piombo-acido, con un basso tasso di autoscarica e protezione ambientale, e sono più adatte per l'Antartico. Il freddo perenne dell'Antartide, come la stazione di Kunlun, che si trova alla massima altitudine dell'Antartide, ha una temperatura media annuale di -58,4 ℃ e una temperatura minima di -82 ℃. Questo lavoro simula l'ambiente antartico a bassa temperatura, conduce esperimenti di carica e scarica della batteria al litio ferro fosfato in diversi ambienti a bassa temperatura e analizza i risultati sperimentali, fornendo una base per la selezione della batteria e la progettazione del sistema di riscaldamento.

1.Test di carica della batteria

In questo test, per caricare la batteria è stato utilizzato un alimentatore stabilizzato a corrente continua e una camera di prova ad alta e bassa temperatura alternata per simulare un ambiente polare a bassa temperatura. Sono state impostate la corrente di carica costante e la tensione di carica massima consentita dell'alimentatore stabilizzato a corrente continua. Le correnti di carica impostate nell'esperimento erano rispettivamente di 1, 2 e 3A e la tensione di interruzione della carica era di 14,7V. Quando la batteria è stata caricata a 14,7 V, l'alimentatore ha interrotto la carica a corrente costante e ha iniziato la carica a tensione costante, Il processo di carica della batteria è il seguente: nella fase iniziale, la corrente è in uno stato di carica a corrente costante. Man mano che il processo di carica prosegue, la tensione della batteria aumenta gradualmente. Quando si avvicina a 14,7 V, passa alla carica a tensione costante e la corrente specifica diminuisce gradualmente fino a circa 0,2 A.

In un ambiente a bassa temperatura, è difficile che gli ioni di litio della grafite incorporata siano incorporati nell'anodo di grafite al di sotto di -20 ℃, quindi la capacità di accettazione della carica della batteria al litio ferro fosfato sarà ridotta e la velocità di carica sarà notevolmente ridotta in un ambiente a bassa temperatura rispetto alla temperatura normale. Durante il processo di carica, la temperatura interna della batteria spesso aumenta e ciò ha un impatto negativo sulla carica della batteria a temperatura ambiente. Tuttavia, l'aumento della temperatura durante la carica a bassa temperatura migliora l'efficienza di carica della batteria. A causa della significativa diminuzione della capacità di carica delle batterie quando vengono caricate in ambienti a bassa temperatura, per studiare le prestazioni di carica delle batterie in ambienti a bassa temperatura, le batterie sono state collocate in diversi ambienti a bassa temperatura e caricate a corrente e tensione costante con diverse correnti. In questo esperimento, la carica a bassa corrente viene utilizzata per aumentare il tasso di accettazione della carica della batteria. La corrente di carica è rispettivamente di 1, 2 e 3A. In condizioni di temperatura ambiente normale, -10, -20 e -30 ℃, la batteria al litio ferro fosfato viene caricata a corrente e tensione costanti. In totale sono stati condotti 12 gruppi di esperimenti. I dati sono stati raccolti e analizzati.

Caricare la batteria al litio ferro fosfato a corrente e tensione costante con una corrente di 3A e raccogliere e memorizzare i dati ogni 10 minuti. Dai dati si evince che durante la fase iniziale della carica, la batteria viene caricata con una corrente costante di 3A. La tensione cambia in modo significativo e la curva di tensione sale bruscamente fino a circa 13V, entrando in un periodo di plateau di tensione. La curva sale dolcemente e infine la tensione rimane costante. La corrente inizia a diminuire, scendendo a circa 0,2A, e la carica termina.

Dal confronto si evince che, con la diminuzione della temperatura ambiente, quando la batteria al litio-ferro-fosfato viene caricata con la stessa corrente e tensione costante, il tempo per l'ingresso della tensione nel periodo di plateau si riduce. Il numero di volte in cui la raccolta inizia a entrare nel periodo di plateau della tensione è di circa 50 volte a temperatura normale, di circa 40 volte a -10 ℃, di circa 20 volte a -20 ℃ e di meno di 20 volte a -30 ℃; la tendenza generale all'aumento della tensione della batteria rimane invariata, ma più bassa è la temperatura, più velocemente la batteria raggiunge il valore di tensione impostato, il che significa che il tempo per completare il processo di carica è più breve. A temperatura ambiente, la batteria completa il processo di carica quando la frequenza di raccolta è di 400 volte, 300 volte a -10 ℃, 200 volte a -20 ℃ e 120 volte a -30 ℃. Durante l'esperimento è stato inoltre rilevato che, quando la carica avviene con corrente e tensione costanti alla stessa corrente, le fasi di carica per corrente e tensione costanti sono diverse a seconda della temperatura ambientale. Più bassa è la temperatura, più breve è la fase di carica a corrente costante e addirittura si entra direttamente nella fase di carica a tensione costante. Pertanto, quando si carica la batteria allo stesso modo, più bassa è la temperatura, più breve è il tempo di completamento della carica.

2.Test di scarica della batteria

In questo esperimento, la batteria al litio-ferro-fosfato è stata scaricata con corrente costante e per la scarica è stato scelto un tester di capacità della batteria ad alta precisione. L'esperimento prevede una scarica a bassa corrente e la corrente di scarica del tester è impostata a 2A. Per scaricare completamente la batteria, la tensione di scarica è stata impostata a 9,5 V.

Per studiare le prestazioni di scarica delle batterie in ambienti a bassa temperatura, le batterie completamente cariche sono state collocate a diverse temperature ambientali e sottoposte a una scarica costante alla stessa corrente. In questo esperimento, per migliorare l'efficienza di scarica della batteria è stata utilizzata una piccola corrente di scarica, perché in un ambiente a bassa temperatura, la corrente è distribuita uniformemente sull'elettrodo della batteria e la reazione chimica all'interno della batteria si svolge completamente, il che può aumentare la profondità di scarica della batteria. In questo esperimento, è stata utilizzata una corrente di 2A per scaricare la batteria al litio ferro fosfato a temperatura ambiente, -10, -20, -30 ℃, per un totale di 4 gruppi di esperimenti.

Nella fase iniziale di scarica della batteria, si verifica un forte calo di tensione, seguito da una diminuzione graduale che dura a lungo. Al termine della scarica, la tensione scende bruscamente fino alla tensione di cut-off. I risultati sperimentali mostrano che, a parità di velocità di scarica, la tensione di scarica iniziale della batteria diminuisce con la diminuzione della temperatura. La tensione di scarica iniziale è di 14,48 V a temperatura ambiente, 14 V a -10 ℃, 13,6 V a -20 ℃ e 13,3 V a -30 ℃.

La tensione della batteria al litio-ferro-fosfato diminuisce improvvisamente all'inizio della scarica. Questo perché quando si scarica la batteria in un ambiente a bassa temperatura, quando la temperatura della batteria inizia a diminuire, le sostanze attive che partecipano alla reazione all'interno della batteria diminuiscono e non possono reagire completamente, con conseguente aumento dell'effetto di polarizzazione della batteria. Pertanto, nella fase iniziale di scarica della batteria, la tensione terminale scende bruscamente a circa 13,3 V, mentre la tensione della batteria sinistra e destra inizia a mantenersi stabile, con variazioni di tensione lente. Man mano che la scarica della batteria prosegue, la resistenza interna della batteria aumenta, la temperatura interna della batteria aumenta e una parte delle sostanze attive della batteria si attiva. Quando la tensione scende a circa 12,5 V, la tensione della batteria si riduce improvvisamente. Mentre la temperatura della batteria continua a salire, la resistenza interna della batteria diminuisce e il calore generato all'interno della batteria diminuisce. Tuttavia, la temperatura ambiente rimane a 10 ℃, quindi la temperatura della batteria inizia a diminuire e anche la tensione diminuisce.

La tensione della batteria al litio ferro fosfato cambia molto rapidamente nella fase iniziale di scarica e nella fase finale di esaurimento della capacità della batteria, mentre la tensione di scarica nella fase di plateau non cambia molto, il che indica che la batteria può funzionare in modo stabile sotto la tensione nella fase di plateau. Dall'analisi di cui sopra, si può notare che il tempo di scarica della batteria al litio-ferro-fosfato si accorcia con la diminuzione della temperatura ambiente, indicando che la capacità di scarica della batteria al litio-ferro-fosfato si indebolisce gradualmente. I tempi di raccolta della scarica completa della batteria a temperatura ambiente sono circa 270 volte, i tempi di raccolta della scarica completa della batteria a -10 ℃ sono circa 220 volte, i tempi di raccolta della scarica completa della batteria a -20 ℃ sono circa 100 volte e i tempi di raccolta della scarica completa della batteria a -30 ℃ sono circa 90 volte. Quando la batteria viene scaricata con corrente costante, la tendenza generale della diminuzione della tensione di scarica rimane invariata.

3.Conclusione

È stata testata la batteria al litio ferro fosfato. La camera di prova alternata ad alta e bassa temperatura del laboratorio è stata utilizzata per simulare l'ambiente antartico a bassa temperatura, e gli esperimenti di carica e scarica della batteria al litio-ferro-fosfato in diverse condizioni di temperatura sono stati eseguiti con un alimentatore regolato a corrente continua e un rilevatore di capacità della batteria. La conclusione è stata che, quando la batteria si trova in un ambiente a bassa temperatura, con la continua diminuzione della temperatura, la piattaforma di tensione di scarica iniziale della batteria al litio ferro fosfato diminuisce gradualmente, il tempo di carica e scarica diminuisce gradualmente e la capacità di carica e scarica diminuisce.

La diminuzione della temperatura influisce in modo significativo sulle prestazioni di carica e scarica della batteria; quando la temperatura ambiente della batteria al litio-ferro-fosfato è pari o inferiore a -10 ℃, la carica della batteria a bassa corrente è maggiore di quella ad alta corrente. Dalle conclusioni di cui sopra si evince che le prestazioni della batteria al litio ferro fosfato peggiorano a basse temperature. La capacità di carica e scarica della batteria è notevole a -10 ℃. Pertanto, in caso di utilizzo in Antartide, si può pensare di riscaldare la batteria a circa -10 ℃.