Influencia de la temperatura en las baterías de fosfato de hierro y litio (baterías LiFePO4)

Las baterías de iones de litio tienen un alto voltaje de operación (tres veces mayor que las baterías de NiMH y NiCd), alta energía específica (hasta 165 Wh/kg, tres veces mayor que las baterías de NiMH), tamaño pequeño, peso ligero, larga vida útil, baja autodescarga, sin efecto memoria y sin contaminación, entre otras ventajas. Las baterías de fosfato de hierro y litio son las favoritas en la industria de las nuevas energías. La vida útil de la batería puede alcanzar aproximadamente 3000 veces y se puede lograr estabilidad de descarga. Se utilizan ampliamente en baterías de potencia y almacenamiento de energía, entre otros campos. Sin embargo, su velocidad de promoción y la amplitud y profundidad de sus aplicaciones son insatisfactorias. Además del precio y la consistencia del lote causada por el propio material de la batería, su rendimiento de temperatura también es un factor importante. Este artículo examina la influencia de la temperatura en el rendimiento de las baterías de fosfato de hierro y litio y las condiciones de carga y descarga del paquete de baterías a altas y bajas temperaturas.

Resumen del ciclo a temperatura ambiente del monómero (módulo)

La vida útil de la batería, probada a temperatura ambiente, muestra que la batería de fosfato de hierro y litio ofrece una larga vida útil. Actualmente, ha alcanzado 3314 ciclos, con una tasa de retención de capacidad del 90 %, y su vida útil al 80 % puede extenderse aproximadamente 4000 veces.

1. Circulación de monómeros

Se completó: 3314 ciclos con una tasa de retención de capacidad del 90%.

Debido a la tecnología de procesamiento de celdas y al proceso de agrupación de módulos, la inconsistencia de la batería se forma tras completar el PACK. Cuanto más sofisticado sea el proceso, menor será la resistencia interna del grupo y menor la diferencia entre las celdas. La vida útil de los siguientes módulos es el dato básico que la mayoría de las baterías de fosfato de hierro y litio pueden alcanzar actualmente, por lo que el BMS del pack de baterías debe equilibrarse periódicamente durante el uso para reducir la diferencia entre las celdas y prolongar su vida útil.

2º ciclo de módulos

Se completó: 2834 ciclos con una tasa de retención de capacidad del 67,26%.

Resumen del ciclo de alta temperatura del monómero

Las condiciones de alta temperatura aceleran el envejecimiento de la batería.

1. Curva de carga/descarga del monómero

2. Ciclo de alta temperatura

El ciclo de alta temperatura se completa a los 1100 ciclos y la tasa de retención de capacidad es del 73,8%.

Influencia de las bajas temperaturas en el rendimiento de carga y descarga

La capacidad de descarga de la batería a temperaturas de 0 a -20 °C fue del 88,05 %, 65,52 % y 38,88 % de la capacidad a 25 °C, respectivamente; el voltaje de descarga promedio fue de 3,134 V, 2,963 V y 2,788 V, respectivamente, siendo el voltaje de descarga promedio a -20 °C 0,431 V menor que el de 25 °C. Del análisis anterior, se desprende que, con la disminución de la temperatura, el voltaje de descarga promedio y la capacidad de descarga de las baterías de iones de litio disminuyen, especialmente a -20 °C, donde la capacidad y el voltaje de descarga promedio disminuyen más rápidamente.

Figura 1 Curva de descarga de la batería LiFePO4 a diferentes temperaturas

Desde una perspectiva electroquímica, la resistencia de la solución y la resistencia de la membrana SEI apenas varían en todo el rango de temperatura y tienen poco impacto en el rendimiento de la batería a baja temperatura. La resistencia a la transferencia de carga aumenta significativamente al disminuir la temperatura, y los cambios con la temperatura en todo el rango de temperatura son significativamente mayores que los de la resistencia de la solución y la resistencia de la membrana SEI. Esto se debe a que, al disminuir la temperatura, la conductividad iónica del electrolito disminuye, mientras que la resistencia de la membrana SEI y la resistencia a la reacción electroquímica aumentan. Esto resulta en un aumento de la polarización óhmica, la polarización densa y la polarización electroquímica a baja temperatura, lo cual se refleja en la curva de descarga de la batería , ya que tanto el voltaje promedio como la capacidad de descarga disminuyen con la temperatura.

Figura 2 Después de cargar y descargar la batería 5 veces a baja temperatura

La Figura 2 muestra que, tras cinco ciclos a -20 °C y otros a 25 °C, la capacidad de la batería y la velocidad de descarga se redujeron. Esto se debe a que, al disminuir la temperatura, la conductividad iónica del electrolito disminuye, y la polarización óhmica, la polarización densa y la polarización electroquímica aumentan durante la carga a bajas temperaturas, lo que provoca la deposición de litio metálico y la descomposición del electrolito. Esto, en última instancia, provoca el engrosamiento de la película de SEI sobre la superficie del electrodo y un aumento de su resistencia, lo que se refleja en la curva de descarga como una disminución de la velocidad y la capacidad de descarga.

1. La influencia de las bajas temperaturas en el rendimiento del ciclo.

Figura 3 Curva de ciclo de velocidad de 0,5 C de una batería de iones de litio a temperatura ambiente

Figura 4 Curva de ciclo de la tasa de 0,5 C de la batería de iones de litio a -10 ℃

En la figura, se observa que la capacidad de la batería disminuye rápidamente en un entorno de -10 °C. Tras 100 ciclos, la capacidad es de tan solo 59 mAh/g, con una disminución del 47,8 %. La batería descargada a baja temperatura se normaliza para la prueba de carga/descarga, que evalúa su capacidad de recuperación. La capacidad se restablece a 70,8 mAh/g con una pérdida del 68 %. Se observa que el ciclo de baja temperatura de la batería tiene un mayor impacto en la recuperación de su capacidad.

2. La influencia de las bajas temperaturas en el desempeño de seguridad

La carga de baterías de iones de litio es un proceso en el que los iones de litio se extraen del electrodo positivo mediante la migración del electrolito y se introducen en el material del electrodo negativo. Los iones de litio se polimerizan para formar el electrodo negativo, y seis átomos de carbono capturan un ion de litio. A bajas temperaturas, la actividad de la reacción química disminuye y la migración de iones de litio se ralentiza. Los iones de litio presentes en la superficie del electrodo negativo no se han introducido en él, por lo que se reducen a litio metálico y precipitan en la superficie del electrodo negativo para formar dendritas de litio, que se perforan fácilmente. La membrana provoca un cortocircuito en la batería, lo que la daña y provoca un accidente de seguridad.

De los datos anteriores, se puede concluir que las baterías de fosfato de hierro y litio (baterías LiFePO₄) se ven fuertemente influenciadas por la temperatura. En aplicaciones de baterías de potencia, el impacto de la temperatura del entorno de aplicación requiere la gestión térmica de la batería (refrigeración por aire, refrigeración líquida, etc.) para mejorar su eficiencia y prolongar su vida útil.

Factores que afectan la consistencia de las baterías de fosfato de hierro y litio

1. Calidad de las materias primas: especialmente los materiales de fosfato de hierro y litio son nuevos, su equipo de fabricación y los procesos sintéticos no son seguros ni maduros, la calidad es propensa a fluctuaciones, lo que afecta la consistencia del producto de la batería.

2. Entorno de producción: Las baterías de LiFePO4 son productos de alta tecnología con numerosas materias primas químicas y procesos complejos. El entorno de producción exige altas exigencias en cuanto a temperatura, humedad, polvo, etc. Si no se controla, la calidad de la batería fluctuará.

3. Equipos de fabricación: Cuantos menos componentes manuales haya en el proceso de producción y mayor sea el grado de automatización de los equipos, mejor será la consistencia de las baterías de fosfato de hierro y litio ( baterías LiFePO4 ).

En las baterías de fosfato de hierro y litio, la sobredescarga y la sobrecarga pueden afectar su capacidad. El manejo adecuado de las baterías de litio implica cargarlas antes de que se agoten, evitar recargarlas una vez agotadas y evitar la sobrecarga. La temperatura óptima de funcionamiento de las baterías de litio es de 0 a 35 grados Celsius. Los entornos de baja temperatura reducen la actividad de los iones de litio, lo que reduce la capacidad de descarga de la batería y acorta su vida útil. Si la batería de litio se expone a un entorno de baja temperatura durante un breve periodo, este daño es solo temporal y no afecta su capacidad. Al aumentar la temperatura, se recupera su rendimiento.

Sin embargo, cuando la batería de fosfato de hierro y litio ( batería LiFePO4 ) funciona y se carga y descarga durante un tiempo prolongado en un entorno de baja temperatura, el metal de litio se precipitará en la superficie del ánodo de la batería, un proceso que es irreversible y daña permanentemente la capacidad de la batería.

En las baterías de fosfato de hierro y litio, la sobredescarga y la sobrecarga pueden afectar su capacidad. El manejo adecuado de las baterías de litio implica cargarlas antes de que se agoten, evitar recargarlas una vez agotadas y evitar la sobrecarga. La temperatura óptima de funcionamiento de las baterías de litio es de 0 a 35 grados Celsius. Los entornos de baja temperatura reducen la actividad de los iones de litio, lo que reduce la capacidad de descarga de la batería y acorta su vida útil. Si la batería de litio se expone a un entorno de baja temperatura durante un breve periodo, este daño es solo temporal y no afecta su capacidad. Al aumentar la temperatura, se recupera su rendimiento.

Sin embargo, cuando la batería de fosfato de hierro y litio ( batería LiFePO4 ) funciona y se carga y descarga durante un tiempo prolongado en un entorno de baja temperatura, el metal de litio se precipitará en la superficie del ánodo de la batería, un proceso que es irreversible y daña permanentemente la capacidad de la batería.

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