Pin lithium sắt phosphate là loại pin lithium-ion rất có tiềm năng trên thị trường hiện nay. Hiện nay, nghiên cứu về pin lithium sắt phosphate chủ yếu tập trung vào hệ thống quản lý pin và ước tính trạng thái sạc. Hiệu suất của nó cần được nghiên cứu thêm, đặc biệt là hiệu suất ở nhiệt độ thấp. Hiện nay, các thiết bị thải loại được sử dụng cho nghiên cứu khoa học Nam Cực về cơ bản đều được cung cấp năng lượng bằng pin axit chì, gây ô nhiễm nghiêm trọng.

Tuy nhiên, công suất riêng và năng lượng riêng của pin Lithium sắt phosphate cao hơn so với pin axit chì, có tỷ lệ tự xả thấp và bảo vệ môi trường, và chúng phù hợp hơn với Nam Cực. Gió lạnh quanh năm ở Nam Cực, chẳng hạn như Trạm Côn Lôn, nằm ở độ cao nhất ở Nam Cực, có nhiệt độ trung bình hàng năm là -58,4 ℃ và nhiệt độ tối thiểu là -82 ℃. Bài báo này mô phỏng môi trường nhiệt độ thấp ở Nam Cực, tiến hành các thí nghiệm sạc và xả trên pin Lithium sắt phosphate trong các môi trường nhiệt độ thấp khác nhau và phân tích các kết quả thực nghiệm, cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn pin và thiết kế hệ thống sưởi ấm.

1.Thử nghiệm sạc pin

Trong thử nghiệm này, nguồn điện DC ổn định được sử dụng để sạc pin và buồng thử nghiệm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp được sử dụng để mô phỏng môi trường nhiệt độ thấp phân cực. Dòng điện sạc không đổi và điện áp sạc tối đa cho phép của nguồn điện DC ổn định đã được thiết lập. Dòng điện sạc được thiết lập trong thí nghiệm lần lượt là 1, 2 và 3A và điện áp ngắt sạc là 14,7V. Khi pin được sạc đến 14,7V, nguồn điện dừng sạc dòng điện không đổi và bắt đầu sạc điện áp không đổi. Quá trình sạc pin như sau: ở giai đoạn đầu, dòng điện ở trạng thái sạc dòng điện không đổi. Khi quá trình sạc tiếp tục, điện áp pin tăng dần. Khi đạt đến 14,7V, nó chuyển sang sạc điện áp không đổi và dòng điện cụ thể giảm dần xuống khoảng 0,2A.

Trong môi trường nhiệt độ thấp, ion lithium của than chì nhúng lithium khó được nhúng vào cực dương than chì dưới -20 ℃, do đó khả năng tiếp nhận sạc của pin Lithium sắt phosphate sẽ bị giảm và tốc độ sạc sẽ giảm đáng kể trong môi trường nhiệt độ thấp so với nhiệt độ bình thường. Trong quá trình sạc, nhiệt độ bên trong pin thường sẽ tăng lên, điều này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến việc sạc pin ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, nhiệt độ tăng trong quá trình sạc ở nhiệt độ thấp sẽ cải thiện hiệu suất sạc của pin. Do khả năng sạc của pin giảm đáng kể khi sạc trong môi trường nhiệt độ thấp, để nghiên cứu hiệu suất sạc của pin trong môi trường nhiệt độ thấp, pin đã được đặt trong các môi trường nhiệt độ thấp khác nhau và sạc ở dòng điện và điện áp không đổi với các dòng điện khác nhau. Trong thí nghiệm này, sạc dòng điện thấp được sử dụng để tăng tốc độ chấp nhận sạc của pin. Dòng điện sạc lần lượt là 1, 2 và 3A. Ở nhiệt độ môi trường bình thường, -10, -20 và -30 ℃, pin Lithium sắt phosphate được sạc ở dòng điện và điện áp không đổi. Tổng cộng có 12 nhóm thí nghiệm. Dữ liệu được thu thập và phân tích.

Sạc pin Lithium sắt phosphate ở dòng điện và điện áp không đổi với dòng điện 3A, và thu thập và lưu trữ dữ liệu sau mỗi 10 phút. Từ dữ liệu, có thể thấy rằng trong giai đoạn sạc ban đầu, pin được sạc ở dòng điện không đổi 3A. Điện áp thay đổi đáng kể và đường cong điện áp tăng đột ngột lên khoảng 13V, bước vào giai đoạn ổn định điện áp. Đường cong tăng nhẹ và cuối cùng điện áp vẫn không đổi. Dòng điện bắt đầu giảm, giảm xuống khoảng 0,2A và quá trình sạc kết thúc.

Có thể thấy từ sự so sánh rằng, khi nhiệt độ môi trường giảm, khi pin Lithium sắt phosphate được sạc với cùng một dòng điện và điện áp không đổi, thời gian để điện áp đi vào giai đoạn ổn định sẽ được rút ngắn. Số lần thu thập bắt đầu đi vào giai đoạn ổn định điện áp ở khoảng 50 lần ở nhiệt độ bình thường, khoảng 40 lần ở -10 ℃, khoảng 20 lần ở -20 ℃ và ít hơn 20 lần ở -30 ℃; Xu hướng tăng chung của điện áp pin vẫn không thay đổi, nhưng nhiệt độ càng thấp, pin đạt đến giá trị điện áp cài đặt càng nhanh, điều đó có nghĩa là thời gian hoàn thành quá trình sạc càng ngắn. Ở nhiệt độ phòng, pin hoàn thành quá trình sạc khi tần suất thu thập là 400 lần, 300 lần ở -10 ℃, 200 lần ở -20 ℃ và 120 lần ở -30 ℃. Trong quá trình thử nghiệm, người ta cũng phát hiện ra rằng khi sạc bằng dòng điện và điện áp không đổi ở cùng một dòng điện, các giai đoạn sạc cho dòng điện không đổi và điện áp không đổi là khác nhau ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Nhiệt độ càng thấp, giai đoạn sạc dòng điện không đổi càng ngắn, thậm chí trực tiếp vào giai đoạn sạc điện áp không đổi. Do đó, khi sạc pin theo cùng một cách, nhiệt độ càng thấp, thời gian hoàn thành sạc càng ngắn.

2.Thử nghiệm xả pin

Trong thí nghiệm này, pin lithium sắt phosphate được xả bằng cách xả dòng điện không đổi và một máy kiểm tra dung lượng pin có độ chính xác cao đã được chọn cho thí nghiệm xả. Thí nghiệm này là xả dòng điện thấp và dòng điện xả của máy kiểm tra được đặt thành 2A. Để xả hoàn toàn pin, điện áp cắt xả được đặt thành 9,5V.

Để nghiên cứu hiệu suất xả của pin trong môi trường nhiệt độ thấp, pin được sạc đầy được đặt ở các nhiệt độ môi trường khác nhau và chịu sự xả dòng điện không đổi ở cùng một dòng điện. Trong thí nghiệm này, xả dòng điện nhỏ được sử dụng để cải thiện hiệu suất xả của pin, vì trong môi trường nhiệt độ thấp, xả dòng điện nhỏ được sử dụng, dòng điện được phân bổ đều trên điện cực pin và phản ứng hóa học bên trong pin được thực hiện đầy đủ, có thể làm tăng độ sâu xả của pin. Trong thí nghiệm này, dòng điện 2A được sử dụng để xả pin Lithium sắt phosphate ở nhiệt độ phòng, -10, -20, -30 ℃, tổng cộng có 4 nhóm thí nghiệm.

Trong giai đoạn đầu xả pin, điện áp sẽ giảm mạnh, sau đó giảm dần và kéo dài trong thời gian dài. Khi kết thúc xả, điện áp sẽ giảm mạnh xuống điện áp cắt. Kết quả thực nghiệm cho thấy ở cùng tốc độ xả, điện áp xả ban đầu của pin giảm khi nhiệt độ giảm. Điện áp xả ban đầu là 14,48V ở nhiệt độ phòng, 14V ở -10 ℃, 13,6V ở -20 ℃ và 13,3V ở -30 ℃.

Điện áp của pin Lithium sắt phosphate sẽ giảm đột ngột khi bắt đầu xả. Điều này là do khi xả pin trong môi trường nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ pin bắt đầu giảm, các hoạt chất tham gia phản ứng bên trong pin giảm và không thể phản ứng hoàn toàn, dẫn đến hiệu ứng phân cực của pin tăng lên. Do đó, trong giai đoạn xả pin ban đầu, điện áp cực giảm mạnh xuống khoảng 13,3V và điện áp pin trái và phải bắt đầu duy trì mức xả ổn định, với những thay đổi điện áp chậm. Khi pin tiếp tục xả, điện trở bên trong của pin tăng lên, nhiệt độ bên trong của pin tăng lên và một phần các hoạt chất trong pin được kích hoạt. Khi điện áp giảm xuống khoảng 12,5V, điện áp pin đột nhiên giảm trở lại. Khi nhiệt độ của pin tiếp tục tăng, điện trở bên trong của pin giảm và nhiệt sinh ra bên trong pin cũng giảm. Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường vẫn ở mức 10℃, vì vậy nhiệt độ của pin bắt đầu giảm và điện áp cũng giảm.

Điện áp của pin Lithium sắt phosphate thay đổi rất nhanh trong giai đoạn xả ban đầu và giai đoạn cuối của quá trình cạn kiệt dung lượng pin, trong khi điện áp xả ở giai đoạn ổn định không thay đổi nhiều, điều này cho thấy pin có thể hoạt động ổn định dưới điện áp ở giai đoạn ổn định. Từ phân tích trên, có thể thấy rằng thời gian xả của pin Lithium sắt phosphate sẽ được rút ngắn khi nhiệt độ môi trường giảm, cho thấy khả năng xả của pin Lithium sắt phosphate đang dần yếu đi. Thời gian thu thập của pin xả hoàn toàn ở nhiệt độ phòng là khoảng 270 lần, thời gian thu thập của pin xả hoàn toàn ở -10 ℃ là khoảng 220 lần, thời gian thu thập của pin xả hoàn toàn ở -20 ℃ là khoảng 100 lần và thời gian thu thập của pin xả hoàn toàn ở -30 ℃ là khoảng 90 lần. Khi pin được xả với dòng điện không đổi, Xu hướng chung của việc giảm điện áp xả vẫn không thay đổi.

3.Kết luận

Pin Lithium sắt phosphate đã được thử nghiệm. Phòng thử nghiệm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp của phòng thí nghiệm đã được sử dụng để mô phỏng môi trường nhiệt độ thấp ở Nam Cực và các thí nghiệm sạc và xả pin Lithium sắt phosphate trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau đã được thực hiện với nguồn điện DC được điều chỉnh và máy dò dung lượng pin. Kết luận được đưa ra là khi pin ở trong môi trường nhiệt độ thấp, với nhiệt độ liên tục giảm, nền tảng điện áp xả ban đầu của pin Lithium sắt phosphate giảm dần, thời gian sạc và xả giảm dần và dung lượng sạc và xả giảm.

Nhiệt độ giảm sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất sạc và xả của pin; Khi nhiệt độ môi trường của pin Lithium sắt phosphate là -10 ℃ hoặc thấp hơn, mức sạc của pin với dòng điện thấp sẽ cao hơn so với mức sạc với dòng điện cao. Có thể thấy từ các kết luận trên rằng hiệu suất của pin Lithium sắt phosphate trở nên kém hơn ở nhiệt độ thấp. Khả năng sạc và xả của pin là đáng kể ở -10 ℃. Do đó, khi sử dụng ở Nam Cực, có thể coi là làm nóng pin đến khoảng -10 ℃.