リン酸鉄リチウム電池の低温性能を改善するにはどうすればよいですか?

ご存知のとおり、リチウム バッテリー パックは高温でも非常によく動作します。最大発熱量は 350 ～ 500 °C であり、60 °C でも全容量を放電できます。ただし、低温では他のバッテリー システムよりもパフォーマンスが少し劣ります。この低温性能はどのように改善できるでしょうか?低温でのパフォーマンスを向上させる方法はたくさんあります。

1 つ目の方法は、バッテリー加熱システムを使用してバッテリー温度を最適な範囲内に維持することです。これらのシステムには、抵抗加熱素子、相変化材料、またはその他の熱管理方法が含まれる場合があります。

次に、バッテリーの周囲に断熱材を追加して、周囲への過度の熱損失を防ぎます。これにより、特に極寒の状況において、内部温度をより高く維持することができます。

LiFePO4 のナノ粒子を使用すると、表面積が大きくなり、イオン拡散速度が向上するため、低温性能を向上させることができます。

低温性能に影響を与える可能性があるため、損傷を防ぐためにバッテリーの充電および放電の制限を適切に管理してください。

アノードとカソード

リン酸鉄リチウム (LiFePO4) バッテリーでは、アノードとカソードはバッテリーの不可欠なコンポーネントであり、その動作において重要な役割を果たします。 LiFePO4 電池のアノードとカソードの材料は従来のリチウムイオン電池とは異なり、独特の特性を持っています。 LiFePO4 バッテリーのアノードとカソードについて簡単に説明します。

LiFePO4 バッテリーの正極は通常、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) 材料で作られています。カソードは、放電中にリチウムイオンが抽出される場所であり、充電中にリチウムイオンが挿入される場所です。 LiFePO4 は安定した信頼性の高い性能で知られており、リチウムイオン電池の正極材料として人気があります。

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LiFePO4 バッテリーのアノードは通常、グラファイトなどの炭素ベースの材料で構成されています。アノードは、充電中にリチウムイオンが蓄えられ、放電中に放出される場所です。 LiFePO4 は正極に使用されますが、炭素ベースの材料は、リチウムイオンを効果的かつ可逆的に挿入する能力があるため、負極に使用されます。

放電プロセス中 (バッテリーが電力を供給しているとき)、リチウムイオンがアノードからカソードに移動し、電流が生成されます。充電プロセス中、リチウムイオンはカソードからアノードに移動します。

一般に、LiFePO4 バッテリーの低温性能は、コバルト酸リチウム (LiCoO2) バッテリーなどの他の種類のリチウムイオン バッテリーよりも優れています。 LiFePO4 バッテリーは、優れた熱安定性、熱暴走のリスクの低減、低温での一貫した性能を示し、より寒い環境での用途に適しています。ただし、ほとんどのバッテリーと同様に、極度の低温でも性能が影響を受ける可能性があり、極度の低温条件では充放電速度が低下する可能性があります。

充電

リン酸鉄リチウム (LiFePO4) バッテリーをより高いレートで充電すると、容量保持率が向上し、寒冷気候の影響が軽減されるため、低温性能を向上させる効果的な方法となります。ただし、このアプローチにはいくつかの考慮事項と潜在的なトレードオフがあることに注意することが重要です。

低温時の充放電速度を制限すると、バッテリーへの熱ストレスを防ぎ、全体的なパフォーマンスを向上させることができます。

LiFePO4 バッテリーでは、個々のセルが同じ充電状態になるようにセルのバランスをとる必要がある場合があります。セルのバランスが崩れると、容量とパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。優れたバッテリー管理システム (BMS) はセルのバランスを処理できます。

LiFePO4 バッテリーを推奨放電カットオフ電圧未満で放電しないでください。放電が深すぎるとバッテリーが損傷し、寿命が短くなる可能性があります。

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BMS または保護回路を使用して、LiFePO4 バッテリーに特に有害な可能性がある過放電を防止します。 BMS は、バッテリーの電圧が安全なしきい値を下回った場合に、バッテリーを負荷から切り離すことができます。

特に充電中と放電中は、バッテリーの充電状態、電圧、温度を定期的に監視してください。これは、異常な状態を検出して防止するのに役立ちます。

過充電保護は、バッテリーが安全な電圧制限を超えないようにするために不可欠です。バッテリーが過電圧状態に近づいた場合、BMS は切断するか充電電流を減らす必要があります。過放電はバッテリーを損傷する可能性があります。 BMS は、バッテリ電圧が危険なレベルに低下したときに、負荷を切断または軽減し、電圧が安全な下限を下回らないようにする必要があります。

マルチセルバッテリシステムでは、個々のセルの充電状態 (SOC) が異なる場合があります。 BMS は、これらのセルを管理してバランスを取り、均等に放電および充電できるようにする必要があります。 BMS は多くの場合、アルゴリズムを使用してバッテリーの SOC を推定します。この情報は、十分な情報に基づいて充電と放電を決定するために不可欠です。

BMS は、急速充電または高負荷状態中に発生する可能性のある過剰な電流や電圧スパイクからバッテリーを保護するために、電流および電圧の制限を設定する必要があります。回生充電が可能なアプリケーション (電気自動車など) では、BMS は過充電を防ぐために回生ブレーキからバッテリーへのエネルギーの流れを管理する必要があります。

携帯型電子機器などの一部のアプリケーションでは、ユーザーはバッテリーの充電方法に好みがある場合があります。 BMS は、該当する場合、ユーザー定義プロファイルのオプションを提供する必要があります。

緊急時または障害状態の場合、BMS は致命的な故障を防ぐために、バッテリーを負荷または充電器から切り離すことができなければなりません。

適切な機器を使用し、メーカーの推奨に従い、適切に設計された BMS を組み込むことで、バッテリーが安全で最適なパラメータ内で確実に動作するようになります。

電解質

低温でのイオン伝導性を改善できる特定の添加剤を加えてバッテリーの電解液を改質します。独自の添加剤または配合物が電池メーカーから入手できる場合があります。

電解質添加剤は、この溶液に追加される追加の化合物です。

一般的な添加剤には次のようなものがあります。

ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム (LiBOB): バッテリーの低温性能と熱安定性を向上させることができます。

炭酸ビニレン (VC): VC は電極表面に保護膜を形成し、インピーダンスを低下させ、低温性能を向上させます。

プロピレンカーボネート (PC): PC は凝固点を下げるために電解質によく使用され、寒冷条件下では有益です。

低温条件では、電解液の粘度が高くなり、バッテリー内の抵抗が増加する可能性があります。電解質添加剤はこの抵抗を低減し、より優れた充放電性能を可能にします。

VC などの特定の添加剤は、電極表面に安定した保護層を形成し、電極と電解質の間の界面挙動を改善します。これにより、性能を妨げる可能性がある固体電解質界面 (SEI) 層の形成が減少します。

望ましくない副作用を引き起こすことなく望ましい効果を達成するには、電解質添加剤の濃度を慎重に最適化する必要があります。特定の添加剤が多すぎると、バッテリーの性能に悪影響を与える可能性があります。

電解質添加剤の選択と濃度は、特定のバッテリーの化学的性質と設計に応じて変わる可能性があることに注意することが重要です。