Lithiumbatterijen onderscheiden zich van andere batterijchemieën vanwege hun hoge energiedichtheid en lage kosten per cyclus. Echter,"lithiumbatterij" is een dubbelzinnige term. Er zijn ongeveer zes veelvoorkomende chemische eigenschappen van lithiumbatterijen, allemaal met hun eigen unieke voor- en nadelen. Voor toepassingen op het gebied van hernieuwbare energie is de overheersende chemie lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4). Deze chemie heeft een uitstekende veiligheid, met een grote thermische stabiliteit, hoge stroomwaarden, een lange levensduur en tolerantie voor misbruik.
Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) is een extreem stabiele lithiumchemie in vergelijking met bijna alle andere lithiumchemie. De batterij is geassembleerd met een natuurlijk veilig kathodemateriaal (ijzerfosfaat). In vergelijking met andere lithiumchemicaliën bevordert ijzerfosfaat een sterke moleculaire binding, die bestand is tegen extreme laadomstandigheden, de levensduur van de cyclus verlengt en de chemische integriteit gedurende vele cycli handhaaft. Dit is wat deze batterijen hun grote thermische stabiliteit, lange levensduur en tolerantie tegen misbruik geeft.
LiFePO4-batterijen zijn niet gevoelig voor oververhitting, noch zijn ze geschikt voor'thermal runaway' en daarom niet oververhitten of ontsteken wanneer ze worden blootgesteld aan rigoureus verkeerd gebruik of zware omgevingsomstandigheden. In tegenstelling tot ondergelopen loodzuur en andere chemische stoffen, laten lithiumbatterijen geen gevaarlijke gassen zoals waterstof en zuurstof ontsnappen. Er is ook geen gevaar voor blootstelling aan bijtende elektrolyten zoals zwavelzuur of kaliumhydroxide. In de meeste gevallen kunnen deze batterijen in besloten ruimten worden opgeslagen zonder explosiegevaar en voor een goed ontworpen systeem is geen actieve koeling of ontluchting nodig.
Lithiumbatterijen zijn een assemblage die uit vele cellen bestaat, zoals loodzuurbatterijen en vele andere batterijtypes. Loodzuurbatterijen hebben een nominale spanning van 2V/cel, terwijl lithiumbatterijcellen een nominale spanning van 3,2V hebben. Om een 12V-batterij te krijgen, hebt u' dus meestal vier cellen in serie aangesloten. Dit maakt de nominale spanning van een LiFePO4 12,8V. Acht cellen die in een serie zijn geschakeld, vormen een 24V-batterij met een nominale spanning van 25,6V en zestien cellen die in een serie zijn geschakeld, vormen een 48V-batterij met een nominale spanning van 51,2V. Deze spanningen werken heel goed met uw typische 12V-, 24V- en 48V-omvormers.
Lithiumbatterijen worden vaak gebruikt om de loodzuurbatterijen rechtstreeks te vervangen, omdat ze zeer vergelijkbare laadspanningen hebben. Een LiFePO4-batterij met vier cellen (12,8 V) heeft doorgaans een maximale laadspanning tussen 14,4-14,6 V (afhankelijk van de aanbevelingen van de fabrikant). Wat' uniek maakt aan een lithiumbatterij, is dat ze geen absorptielading nodig hebben of gedurende langere tijd in een constante spanningstoestand moeten worden gehouden.
Wanneer de batterij de maximale laadspanning bereikt, hoeft deze doorgaans niet meer te worden opgeladen. De ontladingseigenschappen van LiFePO4-batterijen zijn ook uniek. Tijdens het ontladen zullen lithiumbatterijen een veel hogere spanning behouden dan loodzuurbatterijen onder belasting. Het is niet ongebruikelijk dat een lithiumbatterij slechts enkele tienden van een volt daalt van een volledige lading tot 75% ontladen. Dit kan het moeilijk maken om te bepalen hoeveel capaciteit is gebruikt zonder batterijbewakingsapparatuur.
Een belangrijk voordeel van lithium ten opzichte van loodzuuraccu's is dat ze geen last hebben van deficiëntiecycli. Dit is in wezen wanneer de batterijen niet volledig kunnen worden opgeladen voordat ze de volgende dag weer worden ontladen. Dit is een zeer groot probleem bij loodzuuraccu's en kan aanzienlijke plaatdegradatie bevorderen als ze herhaaldelijk op deze manier worden gecycled. LiFePO4-batterijen hoeven niet regelmatig volledig te worden opgeladen. In feite is het' mogelijk om de algehele levensverwachting enigszins te verbeteren met een lichte gedeeltelijke lading in plaats van een volledige lading. Efficiëntie is een zeer belangrijke factor bij het ontwerpen van zonne-elektrische systemen. Het rendement heen en terug (van vol naar leeg en terug naar vol) van de gemiddelde loodzuuraccu is ongeveer 80%. Andere chemie kan nog erger zijn. De energie-efficiëntie van een lithium-ijzerfosfaatbatterij is meer dan 95-98%. Dit alleen al is een aanzienlijke verbetering voor systemen die in de winter geen zonne-energie hebben, de brandstofbesparing door het opladen van de generator kan enorm zijn.
De absorptielaadfase van loodzuuraccu's is bijzonder inefficiënt, wat resulteert in een efficiëntie van 50% of zelfs minder. Aangezien lithiumbatterijen de lading niet absorberen, kan de oplaadtijd van volledig ontladen tot volledig vol slechts twee uur zijn. Het' is ook belangrijk op te merken dat een lithiumbatterij een bijna volledige ontlading kan ondergaan zoals beoordeeld zonder significante nadelige effecten.
Het is echter belangrijk om ervoor te zorgen dat de afzonderlijke cellen niet te veel ontladen. Dit is de taak van het geïntegreerde Battery Management System (BMS). De veiligheid en betrouwbaarheid van lithiumbatterijen is een grote zorg, daarom moeten alle assemblages een geïntegreerd batterijbeheersysteem (BMS) hebben. Het GBS is een systeem dat cellen bewaakt, evalueert, balanceert en beschermt tegen werking buiten het"Veilig werkgebied". Het BMS is een essentieel veiligheidsonderdeel van een lithiumbatterijsysteem en bewaakt en beschermt de cellen in de batterij tegen overstroom, onder-/overspanning, onder-/overtemperatuur en meer.
Een LiFePO4-cel zal blijvend beschadigd raken als de spanning van de cel ooit onder de 2,5V daalt, hij zal ook blijvend beschadigd raken als de spanning van de cel stijgt tot meer dan 4,2V. Het BMS bewaakt elke cel en voorkomt schade aan de cellen bij onder-/overspanning. Een andere essentiële verantwoordelijkheid van het BMS is om het pakket tijdens het opladen in evenwicht te houden, zodat alle cellen volledig worden opgeladen zonder overladen. De cellen van een LiFePO4-accu balanceren niet automatisch aan het einde van de laadcyclus. Er zijn kleine variaties in de impedantie door de cellen en dus is geen enkele cel 100% identiek.
Daarom zullen sommige cellen tijdens het fietsen eerder volledig worden opgeladen of ontladen dan andere. De variantie tussen cellen zal in de loop van de tijd aanzienlijk toenemen als de cellen niet in balans zijn. In loodzuuraccu's blijft de stroom lopen, zelfs als een of meer cellen volledig zijn opgeladen. Dit is een gevolg van de elektrolyse die plaatsvindt in de batterij, waarbij het water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Deze stroom helpt om andere cellen volledig op te laden, waardoor de lading op alle cellen op natuurlijke wijze in evenwicht wordt gehouden.
Een volledig opgeladen lithiumcel zal echter een zeer hoge weerstand hebben en er zal zeer weinig stroom vloeien. De achterblijvende cellen worden dus niet volledig opgeladen. Tijdens het balanceren zal het BMS een kleine belasting uitoefenen op de volledig opgeladen cellen, waardoor overladen wordt voorkomen en de andere cellen hun achterstand kunnen inhalen. Lithiumbatterijen bieden veel voordelen ten opzichte van andere soorten batterijen. Ze zijn een veilige en betrouwbare batterijoplossing, zonder angst voor thermische op hol geslagen en/of catastrofale kernsmelting, wat een belangrijke mogelijkheid is bij andere lithiumbatterijtypes. Deze batterijen hebben een extreem lange levensduur en sommige fabrikanten garanderen zelfs batterijen tot 10.000 cycli. Met hoge ontladings- en oplaadsnelheden vanaf C/2 continu en een retourrendement tot 98%, is het' geen wonder dat deze batterijen aan populariteit winnen binnen de industrie. Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) is een perfecte oplossing voor energieopslag.
