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En comparación con las baterías secundarias acuosas tradicionales, como las de plomo-ácido, níquel-hidrógeno y níquel-cadmio, las baterías de iones de litio LiFePO4 ofrecen ventajas como una larga vida útil, alta densidad energética y alta seguridad. Entre los diversos sistemas de baterías, las baterías LiFePO4 se han convertido en las más prometedoras. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en sistemas de alimentación para vehículos eléctricos, almacenamiento de energía a gran escala, estaciones base de comunicaciones y bicicletas eléctricas. Este artículo estudia y profundiza principalmente en la vida útil, el rendimiento de carga y descarga a alta velocidad, la seguridad en la acupuntura y la relación peso/densidad energética de las baterías de iones de litio LiFePO4 .
Como uno de los componentes clave de los vehículos eléctricos, las baterías representan aproximadamente la mitad de su coste. Por lo tanto, su duración determina directamente el coste de su uso. Gracias a las propiedades químicas estables de los materiales positivos y negativos de las baterías de LiFePO4 , el volumen de carga y las variaciones de tensión durante la descarga son mínimas, lo que prolonga enormemente su ciclo de vida. La Figura 1 muestra que una batería de LiFePO4 de 20 Ah se carga con una corriente de 1 C a 3,65 V y luego se convierte a una tensión constante hasta que la corriente desciende a 0,02 C; la corriente de descarga es de 1 C y la duración del ciclo se da con una tensión de corte de 2,0 V (profundidad de carga y descarga del 100 %).
Fig.1 Ciclos de una batería LiFePO4 de 20 Ah
La Figura 1 muestra que la capacidad restante de la batería supera el 80 % de su capacidad inicial después de 1600 ciclos. Si bien el costo actual de las baterías de LiFePo4 es ligeramente superior al de las baterías de plomo-ácido, su mayor vida útil reducirá significativamente los costos de operación y mantenimiento de los vehículos eléctricos.
Dado que las baterías de LiFePO4 pueden descargarse a diferentes velocidades en la práctica, en algunos sistemas, su capacidad de descarga disminuye rápidamente al aumentar la corriente de descarga. Por lo tanto, para comprender el rendimiento de descarga a alta velocidad de las baterías de LiFePO4, descargue la batería de LiFePO4 de 20 Ah a 0,5 °C, 1 °C y 3 °C, respectivamente. Los resultados se muestran en la Figura 2.
Fig. 2 Descarga de una batería LiFePO4 de 20 Ah a diferentes velocidades
La Figura 2 muestra que al aumentar la corriente de descarga de 0,5 °C a 3 °C, la capacidad de descarga de la batería disminuye ligeramente, pero solo en menos del 5 %, lo que indica que la batería de LiFePO4 mantiene un buen rendimiento a altas velocidades. Al mismo tiempo, la velocidad de descarga de 3 °C puede satisfacer las necesidades de los vehículos eléctricos en condiciones de descarga a alta velocidad, lo que les permite alcanzar altas velocidades de ascenso y aceleración.
La rápida capacidad de carga de la batería permite a los vehículos eléctricos utilizar métodos de carga de emergencia en situaciones inesperadas, lo que facilita su uso. La Figura 3 muestra los resultados de las pruebas de una batería con una capacidad real de 20 Ah, cargada a una corriente de 3 C, alcanzando 3,65 V y luego cambiando a carga de voltaje constante.
Fig.3 Carga de una batería LiFePO4 de 20 Ah a 3 °C
La Figura 3 muestra que la capacidad de la batería cambia linealmente con el tiempo durante la fase de carga inicial. Puede alcanzar el 55 % de su capacidad en 15 minutos, el 90 % en 25 minutos y más del 95 % en 30 minutos. Esto demuestra que la batería de LiFePO4 puede cargarse a mayor velocidad y completarse en poco tiempo.
Los materiales LiFePO4 son químicamente muy estables, especialmente a altas temperaturas, y ni siquiera a temperaturas muy altas se descomponen para liberar oxígeno. Por lo tanto, las baterías de fosfato de hierro y litio ofrecen un excelente rendimiento de seguridad, evitando que se quemen, exploten y presenten otros riesgos. Un diseño estructural racional ha mejorado aún más la seguridad, evitando que la batería se queme o explote en caso de impacto, pinchazo, cortocircuito, etc. La Figura 4 muestra una batería LiFePO4 de 20 Ah completamente cargada. Con un clavo de acero de 8 mm de diámetro, se perforó rápidamente la batería y se registraron los cambios de voltaje y temperatura.
Fig. 4 Voltaje y temperatura de la batería LiFePO4 de 20 Ah después de la perforación
Como se puede observar en la Figura 4, al comienzo de la perforación del clavo, el voltaje de la batería cae rápidamente debido al cortocircuito interno, liberando calor y aumentando su temperatura. Sin embargo, dado que el vacío interno de la batería disminuye significativamente después de la perforación, la parte de contacto del cortocircuito se deforma, lo que resulta en un contacto deficiente. En este momento, ya no se libera calor, por lo que el voltaje tiende a estabilizarse y la temperatura de la batería solo aumenta ligeramente.
La densidad energética ponderal es un indicador importante del rendimiento de la batería. La Figura 5 muestra que una batería de fosfato de hierro y litio de 20 Ah está completamente cargada y se descarga a una velocidad de 0,3 C a 2,0 V. La curva de descarga se puede integrar para obtener la energía liberada por la batería. Según el cálculo integral, la batería de fosfato de hierro y litio de 20 Ah ha liberado 70,7 Wh de energía. La batería pesa 580 g, por lo que su densidad energética ponderal se puede calcular en 121,90 Wh/kg.
Fig. 5 Energía de descarga de una batería LiFePO4 de 20 Ah a 0,3 C
Debido a las grandes diferencias regionales en el uso de vehículos eléctricos, algunos lugares experimentan bajas temperaturas en invierno, lo que inevitablemente afectará el rendimiento de la batería. Por lo tanto, para comprender el rendimiento de descarga a baja temperatura de las baterías de fosfato de hierro y litio, se realizará una prueba con una batería LiFepP4 de 20 Ah almacenada a -20 °C, -10 °C, 0 °C, 25 °C y 55 °C durante 20 horas. Posteriormente, en este entorno de baja temperatura, la tasa de descarga es 0,3 °C multiplicada por la tasa de descarga (a temperatura ambiente, 0,3 °C, capacidad de descarga del 100%). Los resultados se muestran en la Figura 6.
Fig. 6 Capacidad de descarga de una batería LiFePO4 de 20 Ah a diferentes temperaturas
Como se puede observar en la Figura 6, a una temperatura ambiente de -20 °C, la batería de LiFePO4 solo puede liberar alrededor del 55 % de su capacidad, por lo que podría tener un impacto negativo en los vehículos eléctricos durante su funcionamiento. Sin embargo, es evidente que la capacidad de descarga de una sola batería disminuye considerablemente a medida que baja la temperatura. En los vehículos eléctricos, se suelen combinar cientos de baterías, lo que genera cierta liberación de calor durante su funcionamiento, lo que inevitablemente aumenta su temperatura. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, el problema de la descarga a baja temperatura no es muy grave para los paquetes de baterías. Durante la prueba, debido a la gran superficie específica expuesta de una sola batería, la temperatura durante toda la prueba es prácticamente la misma que la temperatura ambiente, por lo que la capacidad de descarga se ve considerablemente afectada. A temperaturas más altas, las baterías de LiFePO4 se ven menos afectadas. Por ejemplo, a 55 °C, la capacidad de descarga de la batería solo aumenta ligeramente en comparación con 25 °C.
Los estudios anteriores demuestran que las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una larga vida útil, alta seguridad y alta densidad energética. Al mismo tiempo, dado que las baterías de LiFePO4 no utilizan plomo, cadmio, mercurio, cromo hexavalente ni otros metales pesados tóxicos en todo su proceso de producción, los materiales de embalaje de las baterías no contienen bifenilos polibromados ni éteres difenílicos polibromados, y las baterías de LiFePO4 también son más respetuosas con el medio ambiente. Por lo tanto, las baterías de fosfato de hierro y litio encontrarán una aplicación más amplia en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía química a gran escala.
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Leider erfährt man kaum etwas, wie hoch der Entladestrom einer LiFePO4 Batterie denn nun sein darf, bevor das System abschaltet. Ich brauche einen leichten Akku, um nach einer Kenterung meines Segelbootes eine Pumpe, die bei 12 Volt mit 15 Ampere abzusichern ist. Sie soll max 15 Minuten laufen.
Funktioniert das nicht, dann habe ich, wenn ich mal alleine auf dem See bin, ein ziemliches Problem. Mein LiFePO4 Akku hat 12 Volt und eine Kapazität von 8,5 Ah. Das sollte reichen, aber ob es so ist, erklärt einem niemand. Ich habe deshalb einen Blei-Akku mit gleichen Werten und dem dreifachen Gewicht wieder eingebaut. Ziemlich blöd, dass man kaum etwas über den zulässigen Entladestrom erfährt.
Grüße – Dieter