Komprese LiFePo4 baterie

[Mex]

Díky.
Takže to jsou docela chlapské pružiny, vnitřní průměr 12.5mm.
Ta čísla předpokládám znamenají sílu za 4 pružiny.

[leoshavla]

Je to na dvě pružiny

[Mex]

Tak teď jsem zmatenej.
Takže to vyšlo 600kgf na dvou tyčích M10 při momentu 2Nm?
Tedy 150 kgf/Nm na jedné tyči M10?
A ty závity byly mazané nebo ne?
Připadá mi to dost velká síla na ten moment.

Kdybych si mohl vymýšlet (platí obecně, nejen pro tuto konkrétní debatu):
jsme technici. Tak se prosím chovejme jako technici a používejme správné jednotky a popis dané konfigurace.
Aby nejen autor ale i čtenáři věděli o co jde.
Díky.

[leoshavla]

Už jsme to spolu řešili tady na str.2
viewtopic.php?t=14223
bylo to na 4xM10 1Nm 300kg a ty silné tam mám teď jenom 2ks a nedotahoval jsem to na moment, ale podle stlačení, měl jsem změřeno, že se při dvou kusech při síle 300kg zmačknou o 3mm

[leoshavla]

Tak zatím jsem zaznamenal pohyb baterie mezi 40-60%SOC 0.12mmuvidíme jak to bude při 100% ale to musím počkat na
To může být kolísáním teploty 6-9st.

[glottis]

to je na cele bateri? 16 clanku za sebou?

[leoshavla]

Jj, 16 za sebou

[leoshavla]

Dnes bude výsledek testu o kolik se baterie 16xLF304Ah stažená pružinou 300kg roztáhne ze 30%SOC na100%SOC
Můžete tipovat

[JirkaE]

Já to asi úplně nechápu - a tipovací soutěž už vůbec ne. Já myslel že cílem je takové stažení, aby se články nenafukovali vůbec.

100% SOC na Shuntu je úplně jiné než 100% SOC na BMS na které se články prakticky vůbec nepodívají - v tomhle konzervativním nastavení do 55,2V - kde já mám ještě méně tj.54,95V pro přechod do Absorce = články by se neměli hnout ani o tisícinu - podle mě - nebo ještě pořád něčemu nerozumím ?

Mě ta tipovačka tak vůbec nedává právě proto žádný smysl - pro ta konzervativní nastavení - kde se články (neměli by) nehýbou vůbec - nebo ty jdeš na 100% SOC u BMS ? A kolik tam máš nastavené napětí ? (ptám se abych to pochopil...)

[eman]

Já mám stejné nastavení co Jirka, takže celkem daleko do "technických" 100% SOC. I na BMS.

[leoshavla]

Jde o to rozseknout věčné dohady zda dávat pružiny nebo nedávat

[TomHC]

Len sa pýtam, nemá na rozťahovanie vplyv aj nabíjací výkon? Teda pomalé vs rýchle nabíjanie. A rýchle myslím povedzme 0.7C a viac...

[Mex]

Dnes bude výsledek testu o kolik se baterie 16xLF304Ah stažená pružinou 300kg roztáhne ze 30%SOC na100%SOC
Můžete tipovat

Na výsledek jsem hodně zvědavý. Díky za tenhle pokus a měření.
A jestli je to možné, tak to prosím změř hned po nabití a pak ještě o chvíli později, kdy ještě bude baterka pořád nabitá, ale už bude "odpočatá" po předchozím nabíjení.

Jde o to, jestli případnou změnu rozměru způsobila změna velikosti anody interkalací lithiových iontů (pak by rozměr ani později neklesl), nebo vznik nějakých mikrobublin mezi vrstvami elektrod (pak by se rozměr zase vrátil zpět, i když by se SOC nezměnilo).

[JirkaE]

Jde o to rozseknout věčné dohady zda dávat pružiny nebo nedávat

Chápu ty dohady, leč jsem je nikde jinde nezaznamenal - než tady u Tebe - nicméně to není odpověď na otázku, o jaké SOC a napětí článků se jedna...?
Pokud jsem dobře pochopil, tak články se do určitého napětí vůbec nenafukují a až od určitého napětí začínají a až pak je to téma k k těm dohadům...

Takhle mě to stále nedává smysl, protože pokud to chápu dobře, tak se články vůbec nafukovat nezačnou - při tom konzervativním nastavení.

[Mex]

Dovolím si nesouhlasit.
Diskutovalo se to celkem často.

Navíc (podle mě) je to důležitější problematika než ty neustálé posty jestli nastavit napětí na 55.40V nebo 55.45V (nebo na kolik to vy nízkovolťáci nabíjíte).

Takže já osobně jsem opravdu rád, že se toho kolega ujal. Zvlášť pokud má vybavení na přesné nastavení tlakové síly a na následné přesné změření i malých odchylek rozměru.

[leoshavla]

Výsledek testu je následující,
úchylkoměr jsem nastavil na 0 při 60% SOC při vybití na 30%SOC se baterie zmenšila o -0,3mm a při nabití na 100% pro JirkuE konzervativní nabíjení ABS 1Hod 3,45V čl. 55,2V se zvětšila o +1mm a po klesnutí na na 95% SOC je stále +0,9mm, dále budu sledovat a reportovat.
Když to vydělíme 1,3:16=0,0812 , tak vychází zvětšení jednoho článku o 0,08mm pod napětím pružin 300 KG to je tlušťka lidského vlasu, takže za mě pružiny ANO

[v600]

To, že baterie mechanicky pracuje při provozu je známé - chemické změny obnášejí i změnu velikosti molekul

Zajímalo by mě, zda je větší riziko poškození separátoru když je baterie pod pružinami (pracuje) a nebo je stažená (a vůbec se nemůže nafukovat).

Další věc je, že držák, ať už z ocelových závitovek (a nebo v mojem případě z hliníkových profilů) se v létě trochu zvětší, protože bude tepleji.
A někomu se i baterie ohřeje, a od ní i držák...

[eman]

Myslím, že tyhle banality je hezké vyzkoumat, ale my co tu drbeme zacházíme s baterkou lépe než 90% populace a nemusí nás nějaké změny trápit. Když vidím u souseda ty Pylontechy, jak jezdí z 0 na 100 a zase zpátky, tak jsem úplně vklidu. Jeden blok odešel hned druhý rok, teď mu blbne další. J8 snad nikdy nešel pod 35% a teď mám limit 40%.

[JirkaE]

Výsledek testu je následující,
úchylkoměr jsem nastavil na 0 při 60% SOC při vybití na 30%SOC se baterie zmenšila o -0,3mm a při nabití na 100% pro JirkuE konzervativní nabíjení ABS 1Hod 3,45V čl. 55,2V se zvětšila o +1mm a po klesnutí na na 95% SOC je stále +0,9mm, dále budu sledovat a reportovat.
Když to vydělíme 1,3:16=0,0812 , tak vychází zvětšení jednoho článku o 0,08mm pod napětím pružin 300 KG to je tlušťka lidského vlasu, takže za mě pružiny ANO

Super - díky Leoši - a teď zcela zásadní otázka - viz i otázky předchozí od kolegů.

Bylo by to jiné bez pružin ? a o kolik ? ( při tomto konzervativním nastavení ? )

Bylo by to jiné bez závitových tyčí ? a o kolik ? ( při tomto konzervativním nastavení ? )


Je správné denně (pokud to bude denně) roztahovat a smršťovat ALU-plášť toho článku ? - nebo je lepší ho nechat stažený na pevno bez pohybu ?

Zajímá mě to - protože u mě je to nakombinované a nevím co je lepší... Jestli to předělat, nebo nechat být...

Ohřátí i vychladnutí takového bloku baterek asi záleží na vstupním proudu ale i tak se do závitové tyče na 99% nepřenese je tam cca 2cm mezera.
Letní a zimní teplota je rozdíl max 20°C u mě - to je mezi 7,00°C - 26,00°C ve středu regálu - taky asi žádný významný vliv.

Jiná možnost asi není :
V létě odpojím jeden blok 4 x 12V a otevřu ty 12V baterky, které jsou po 4 článcích a které nemají závitové tyče žádné a jsou jen vycpané tuhou pěnovkou v plastovém boxu...
Jsem zvědavý co mě tam čeká...

Myslím že má Eman naprostou pravdu - jinde se to drbe z 0 na 100% a nikdo nekouká doleva do prava a ždímají z toho maximum - tady bude mít 90% lidí životnost článků mnohem mnohem delší

[Valdano]

Jen pro zajímavost odkaz na vědecký článek o výzkumu, který by v budoucnu mohl vést k tomu že systémy BMS budou mimo jiné měřit i kompresní tlak článků.

Zdroj: Vědecký článek na téma komprese LFP akumulátorů (říjen 2025).

Překlad vybraných částí článku.

Tlaková sonda pro měření expanzního tlaku a mechanické degradace v prizmatických článcích LiFePo4

1. Úvod

V praktických aplikacích se články sestavují do modulů a sad, kde jsou vystaveny mechanickým omezením. Tato omezení spolu s inherentní expanzí prizmatických článků vytvářejí vnitřní tlaky, které již nelze zanedbávat. Expanzní tlak přímo ovlivňuje jak bezpečnost, tak výkon a má významný vliv na jejich dlouhodobou spolehlivost a životnost.

Aby se zmírnila rizika spojená s nekontrolovanou deformací, je během stohování článků záměrně aplikován určitý stupeň komprese (obrázek 1a).
.

lpf_tlak_obrazek1.png (160.36 KiB) Zobrazeno 86 x

a) Diagram hierarchických mechanických omezení pro scénáře použití baterie, od úrovně elektrodového plechu k úrovni baterie, k úrovni modulu a nakonec k úrovni aplikace;

b) Kvazistatický tlakový test pro získání křivek napětí a deformace elektrodového plechu, separátoru a plné baterie;

c) Experimentální uspořádání pro simulaci podmínek zatížení baterie a sběru expanzního tlaku, včetně pevných desek na obou koncích, pohyblivé desky uprostřed, upevňovacích šroubů, prizmatické baterie LFP a tlakového senzoru.

Řízené zatížení pomáhá stabilizovat vnitřní rozhraní a udržovat elektrochemicko-mechanickou integritu. Mírné zatížení zlepšuje kontakt mezi částicemi, vytlačuje zachycené plyny, zabraňuje delaminaci elektrod, snižuje tvorbu plynu a zpomaluje úbytek kapacity.

Nadměrné zatížení však přináší kontraproduktivní účinky: zúžení pórů v elektrodách a separátorech omezuje transport iontů, zvyšuje vnitřní odpor a urychluje parazitické reakce. Tyto dvojí účinky zdůrazňují křehkou rovnováhu mezi prospěšnou a škodlivou kompresí. Studie zdůrazňují, že komprese, ačkoli je nezbytná, musí být pečlivě optimalizována.

Mechanismy, které jsou základem vývoje tlaku, lze vysledovat jak k elektrochemickému, tak k mechanickému původu. Konkrétně expanzní tlak vyplývá ze souhry mezi změnami objemu elektrody během interkalace/deinterkalace lithia a účinky vedlejších reakcí, to vše za vnějších mechanických omezení. Tento tlak lze rozdělit na reverzibilní a nevratné složky.

Reverzibilní tlak vzniká termodynamickými změnami objemu aktivních částic během lithiace/delithiace, což se projevuje jako fluktuace tloušťky elektrody. Protože tyto změny přímo souvisejí s nabitím, reverzibilní tlak vykazuje periodické změny a může sloužit jako další indikátor stavu baterie.

Naproti tomu nevratný tlak pochází z vedlejších reakcí jako je růst SEI, rozklad elektrolytu, vývoj plynu a pokovování lithiem, které nevratně zvětšují vnitřní objem. Toto postupné hromadění nevratného tlaku silně koreluje se stárnutím baterie a stavem materiálu v baterii (SOH).

I když jsou základní zdroje tlaku pochopeny, jejich skutečný vývoj závisí na mnoha vzájemně souvisejících faktorech.

Vyšší počáteční zatížení (1,5 MPa) zesiluje kolísání tlaku, urychluje nevratný růst tlaku a zkracuje životnost cyklu.

Nevratný růst tlaku často předchází poklesu kapacity, což naznačuje jeho užitečnost jako včasného varovného signálu před katastrofickou degradací.

Navíc byly odlišné rysy ve sklonech reverzibilního tlaku spojeny se ztrátou zásob lithia (LLI), pokovováním nebo plastickou deformací, zatímco kontrakce křivek reverzibilního tlaku naznačuje ztrátu aktivního materiálu (LAM). Simulační studie tyto poznatky potvrdily a ukázaly, že reverzibilní kolísání tlaku se přímo škáluje s aplikovaným zatížením.

Doplňkové mechanické testy ukázaly, že s věkem prizmatických buněk LFP se jejich křivky napětí-deformace posouvají doprava, modul se snižuje a reverzibilní kolísání tlaku se zmenšují při stejném stavu nabití a zatížení.

Navzdory těmto pokrokům přetrvávají kritické mezery ve znalostech. Většina předchozích studií zdůrazňuje buď korelaci mezi tlakem a stavem materiálu v baterii (SOC), nebo vztah mezi tlakem a stavem soustavy v baterii (SOH), aniž by plně zohledňovala propojený mechanicko-elektrochemický systém zahrnující elektrody, články a moduly. Navíc nekonzistentní jednotky nebo zkušební podmínky brání srovnání mezi studiemi a občas vedou k protichůdným závěrům. V reálných modulech zahrnuje degradace baterií nejen elektrochemické režimy selhání, jako je LLI a LAM, ale také vyvíjející se mechanické vlastnosti (např. změny modulu) vyvolané vedlejšími reakcemi a trvalou kompresí. Propojení těchto perspektiv vyžaduje standardizovaný rámec pro analýzu expanzního tlaku a spolehlivou metodu pro kvantifikaci modulu v modulu, což umožní přesnější interpretaci propojených degradačních procesů.

Naše zjištění ukazují, že při nízkém počátečním zatížení se reverzibilní fluktuace tlaku zvyšují s nevratným růstem tlaku.

3. Výsledky

3.2. Spojený vliv zatížení a stárnutí na reverzibilní tlak

Vnitřní mechanismus expanze objemu v LFP článcích vyplývá z napětí aktivních materiálů v kladných a záporných elektrodách během interkalace a deinterkalace lithia.

Předchozí studie ukázaly, že grafitová anoda prochází třístupňovou nelineární změnou objemu. Zejména když se stechiometrické číslo nachází mezi 0,6 a 0,3 což odpovídá přechodu z fáze II do fáze IIL (obrázek 4 c) - jednotkový mřížkový objem zůstává téměř nezměněn. V tomto režimu se ionty lithia přeskupují v rámci stávajících grafitových vrstev, místo aby obsazovaly nové vrstvy, což způsobuje zanedbatelné změny v mezivrstvých roztečích a vede k výrazně snížené rychlosti změny objemu částic.

Naproti tomu změna objemu LFP katody během interkalace a deinterkalace lithia sleduje přibližně lineární trend. Při kombinovaném účinku obou elektrod nelineární chování grafitu silně ovlivňuje tlakovou odezvu celého článku, zejména polohu inflexních bodů křivky. Jak je znázorněno na obrázku 4b, deformace elektrod ve volném stavu ukazuje, že během přechodu z fáze II do fáze IIL rychlost změny objemu záporné elektrody výrazně klesá pod rychlost změny objemu kladné elektrody. V důsledku toho katoda dočasně dominuje deformačnímu chování článku, což vede k obrácení směru vývoje tlaku v celém LFP článku (obrázek 4a).

Expanzní tlak baterie vzniká kombinovaným účinkem deformace objemu elektrodové vrstvy během cyklického nabíjení a vybíjení, vícevrstvé elastické struktury uvnitř článku a vnějších mechanických omezení. V praxi se deformace elektrody při zatížení může odchýlit od chování ve volném stavu (mechanický stav článku bez vnějšího stlačení) znázorněného na obrázku 4b a vedlejší produkty vedlejších reakcí mohou dále měnit mechanické vlastnosti vnitřní vícevrstvé struktury. V důsledku toho se tvar reverzibilní tlakové křivky vyvíjí jak s P0, tak s SOH.
.

.
4. Závěry

Tato studie systematicky zkoumala vývoj expanzního tlaku v prizmatických LFP bateriích a odhalila, že jak nevratné, tak reverzibilní složky tlaku jsou řízeny vazbou SOH a externího zatížení. Ukázali jsme, že nevratný růst tlaku je silně ovlivněn změnami modulu baterie, který se sám vyvíjí se zatížením a stárnutím. Pro interpretaci těchto efektů byl vytvořen víceškálový fyzikální model, který ukazuje, že za podmínek nízkého zatížení vykazují baterie nízký modul, takže stejná expanze aktivního materiálu vede k větší vnitřní kompresi, ale menší změně vnější tloušťky. Naproti tomu s rostoucím zatížením nebo postupujícím stárnutím se nevratný tlak hromadí, porézní vnitřní struktura se zhušťuje, modul se zvyšuje a změna vnější tloušťky se zvětšuje.

Tyto poznatky vytvářejí teoretický a experimentální základ pro použití tlakových signálů nejen jako indikátorů SOH, ale také jako diagnostických nástrojů pro identifikaci specifických cest selhání. Ačkoli byl zde validován na omezené sadě prizmatických článků LFP, poskytuje tento rámec novou perspektivu pro integraci mechanických signálů do systémů správy baterií.

Stojí za zmínku, že ačkoli tlakový signál může sloužit jako indikátor popisující stav degradace baterie, stále chybí tlakové senzory, které by bylo možné efektivně aplikovat ve skutečných bateriových modulech. Je to proto, že to s sebou nese problémy, jako jsou náklady, velikost, obtížnost integrace, stabilita signálu a kalibrační drift senzorů.

Vysvětlivky
LLI Ztráta zásob lithia
LAM Ztráta aktivní látky
SEI Vrstva, která vzniká na povrchu záporné elektrody (anody) během prvního cyklu nabíjení. Vrstva SEI stabilizuje baterii. Zabraňuje dalším reakcím mezi elektrolytem a elektrodami během provozu, ovlivňuje kapacitu a životnost baterie.
SOC Stav nabití
SOH Stav opotřebení, který porovnává aktuální maximální kapacitu s původní kapacitou nového článku