В начале 90-годов появился новый вид аккумуляторов — литиевые, что совершило новый переворот среди автономных источников питания. Он произошел в Японии в 1991 году, а компанией, которая в первый раз представила всему миру новый вид батарей, стала корпорация SONY. Но прогресс не стоял на месте и очень скоро появились разные виды аккумуляторов на основе лития. Они отличаются размерами, корпусом, ёмкостью, рабочей и максимальной силами тока, вольтажом, разрядом и перезарядом, взрывоопасностью и последствиями химических реакций и испарений, способных нанести вред человеку. Среди всех видов на сегодняшний день начал выделяться один — литий-железо-фосфатный. Именно о нём и пойдёт в дальнейшем речь как о самом последнем поколении с наибольшим ресурсом, а также аналоге и конкуренте всех других литиевых батарей.
История создания
Литий-железо-фосфат (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR), а в простонародье "лифер", был открыт в 1996 году Джоном Гуденафом как катод для Li-ion элементов. Он имел существенные отличия в сравнении с традиционным литий-кобальтом, являясь менее токсичным и более термоустойчивым. Но при этом обладал значительным недостатком — малой ёмкостью заряда. После открытия прошло время, но данная технология не развилась и никого не привлекла, пока в 2003 году ей не заинтересовалась компания A 123 Systems, под руководством профессора Цзяна Йе-Мина, который работал над созданием аккумулятора, способного к самовоспроизведению структуры коллоидного раствора при определённых условиях. Но все исследования зашли в тупик и команда лаборатории во главе с профессором вспомнила о разработке Джона Гуденафа и продолжила исследования лиферных аккумуляторов, а их спонсорами стали такие мировые корпорации как Motorola, Qualcomm и Sequoia Capital.
Устройство и принцип работы лиферных аккумуляторов
Они устроены аналогично другим литиевым элементам:
- Отрицательно заряженный электрод (анод) — изготавливается на основе медной фольги, которая покрывается слоем графита.
- Положительно заряженный элемент (катод) — состоит из алюминиевой фольги с литий-феррофосфатным слоем.
- Электролит — предназначен для наполнения пространства между катодом и анодом, пропускает положительные ионы лития, но не пропускает отрицательно заряженные электроны. Как правило, жидкий электролит выполняется на основе литиевых солей.
- Сепаратор или разделитель — это пористый листовой полиэтилен, хорошо впитывающий и держащий в себе электролит, а также отделяющий катод от анода. Позволяет избежать необратимой химической реакции в случае короткого замыкания пластин или прорастания дендритов из образованного металлического лития.
Основным отличием от Li-ion батарей является литий-феррофосфатный катод. Батареи имеют устройство рулонного типа, состоящего из 3 лент: анода, сепаратора с электролитом и катода, скрученных в несколько слоёв. Все слои из меди и алюминия соединяются отдельно в один контакт, положительный сверху, а отрицательный снизу. Когда элемент начинает разряжаться из-за нагрузки, ионы лития переходят через сепаратор от катода к аноду и отдают накопленный заряд, приводящий к реакции окисления. При зарядке ионы лития проходят через сепаратор от анода к катоду и аккумулируют заряд, при этом происходит процесс восстановления.
Виды и формы литий-металло-фосфатных аккумуляторов
По форме корпуса и расположению контактов они делятся на 4 вида:
- Аккумуляторы в форме параллелепипеда — "призматики". Расположены в сделанном из алюминия закрытом корпусе, с верхним расположением контактов и клапаном сброса давления. Могут иметь внутри две и более секций в виде пакетов.
- Плоские элементы питания — пакеты. Имеют компактную и плоскую форму с алюминиевой тонкой оболочкой, которую легко повредить и верхнее расположение контактов. Могут являться секциями в призматиках.
- Ячейки цилиндрической формы — батарейки, в которой контакты расположены сверху (положительный) и снизу (отрицательный).
- Модульные аккумуляторы, имеющие вид обычных автомобильных или выполненные в виде пластикового кейса с ручкой и индикационной панелью. В них собраны призматики или батареи с параллельным или последовательным подключением в зависимости от нужного напряжения и тока, а также платами защиты BMS со встроенным балансиром напряжения или отдельно в виде дополнительной платы для регулировки заряда-разряда и защиты от КЗ каждого элемента отдельно. Может быть оснащён ЖК-таблом, лампами индикации включения и зарядки, а также может быть выполнен во влагозащищённом и ударопрочном корпусе.
Цилиндрические батарейки в отличие от привычных символов АА и ААА имеют собственное обозначение типоразмеров или форм-факторов, в котором первые 2 цифры обозначают диаметр, а последующие его высоту. В некоторых вариантах в конце ставится цифра 5, которая соответствует половине миллиметра при обозначении высоты аккумулятора. Самые распространенные форм-факторы: 14430, 14505, 15335, 18500, 18650, 22650, 26650, 32600, 32650, 32700, 32900, 38120, 40160, 42120, 46160.
У призматических элементов маркировка состоит из линейных размеров (ширина, длина, высота), к примеру типоразмер 27148205 имеет размеры 27×148×205.
Общие характеристики лиферных аккумуляторов всех видов
К общим характеристикам относятся:
- Широкий температурный диапазон: от -30 до + 50 С°.
- Напряжение в разряженном состоянии (критический минимум) — 2 В.
- Минимальное рабочее напряжение (под нагрузкой) — 2,5 В.
- Диапазон номинального рабочего напряжения: 3,0-3,3 В.
- Пиковое напряжение, близкое к перезаряду — 3,65 В.
- Номинальное напряжение полной зарядки — 3,6 В.
- Число циклов заряд-разряд до потери ёмкости 20%: 2000-7000.
- Срок хранения 15 лет.
- Саморазряд при комнатной температуре: 3-5% в месяц.
- Объёмная плотность конструкции: 2 кг/дм³.
- Объёмная плотность энергии: 220-350 Вт•ч/дм³ (790 кДж/дм³).
- Удельная плотность энергии: 09-160 Вт•ч/к (320-580 Дж/г).
Преимущества в сравнении с Li-ion аккумуляторами:
- Безопасность и стабильность химической структуры.
- Упрощённая утилизация благодаря химической безопасности фосфатов.
- Отсутствие риска взрыва и возгорания при механическом повреждении, но есть возможность выделения большого количества паров и дыма.
- Стабильность напряжения в процессе разряда.
- Низкий саморазряд.
- Устойчивость к высоким нагрузкам при заряде-разряде.
- Возможность ускоренного заряда большим током до 10 С.
- Подверженность эффекту старения и безвозвратной потери ёмкости — 1,5% в год по сравнению с 10% в год у остальных Li-ion батарей.
- Морозоустойчивость. Некоторые модели способны работать даже при - 40 С°.
- Имеет более высокий пиковый ток и пиковую мощность из-за стабильности напряжения чем литий-ионный аккумулятор.
Недостатки в сравнении с Li-ion аккумуляторами:
- Более высокая цена.
- Удельный вес на 14% больше, чем у остальных литий-ионных аккумуляторов.
- Удельная плотность энергии (энергия/объём) новых батарей ниже на 14% по сравнению с литий-ионными.
- Могут иметь неспособность отдать полную ёмкость при больших токах разряда.
- В случае полного разряда ниже 2 В, происходит эффект деградации и полный выход из строя элемента с долгим восстановлением и потерей части ёмкости или невозможность восстановления.
- Более низкое рабочее напряжение: 3,3 В против 4,2 В для Li-ion аккумуляторов, что приводит к дополнительному добавлению элементов, приводящему к увеличению веса и габаритов.
Применение и использование лиферных аккумуляторов
Эти элементы питания отлично подходят для применения в персональном электротранспорте, таком как: электросамокат, электровелосипед, квадроцикл, скутер, мопед, мотоцикл, электромобиль. Могут использоваться круглый год, в разных температурных и других условиях. Также используются для: лодок с электромоторами, погрузчиков, инвалидных колясок, пылесосов, поломоечных машин. Но больше всего применяются в системах создания электроэнергии, таких как ветро и солнечная генерация, входят в состав аккумуляторных электростанций, а также систем аварийного и автономного источника питания в больницах, банках, метеостанциях, станциях сотовой связи.
Для использования в обычных автомобилях вместо стандартного аккумулятора не рекомендовано, а в некоторых местах с большим преобладанием низких температур в год, запрещено и делается на свой страх и риск. На это есть несколько причин:
- Хоть этот вид аккумуляторов и невосприимчив к низким температурам и стабильно держит заряд, но его подзарядка в условиях низких температур невозможна, что может привести к полному разряду и выходу из строя.
- Из-за большого потребления максимально возможных токов при зарядке разряженного аккумулятора, стартер может не выдержать и выйти из строя или сильно перегреться, что значительно может сократить его ресурс работы.
- Кроме низких температур он не рассчитан на высокие плюсовые температуры, ведь его возможная работа только до +50 С°. Если установить его на стандартное место для аккумулятора, то там могут быть температуры из-за работы двигателя 60 С° и более, что вызовет перегрев и последующую деградацию с полным выходом из строя.
- Невозможность или экономическая нецелесообразность установки систем защиты BMS и балансировки напряжения из-за больших пусковых токов, порой доходящих до 700 А. Без этих систем эксплуатация не представляется надёжной, а покупка систем способных выдержать такие пусковые токи может превысить стоимость самих батарей.
Способ монтажа литий-железо-фосфатных аккумуляторов
В интернете есть куча схем и дополнительного оборудования в виде готовых сборных корпусов и перемычек для модульной сборки. В начале все элементы соединяются между собой по выбранной схеме при помощи пайки, сварки или болтового соединения если позволяет конструкция ячейки. Элементы должны быть с идентичными характеристиками и равной ёмкостью. Перемычки должны быть толщиной не менее 1 мм и шириной 10 мм. Для стабильной и безопасной работы дожна быть обязательно установлена плата BMS с функциями балансировки и защиты от высокого напряжения и тока. Балансировщик может быть встроенным или установлен на отдельной плате с расчетом токовых нагрузок. Заряжать лиферные аккумуляторы нужно только зарядками для Li-ion батарей или универсальными и интелектуальными зарядками с многочисленными опциями, способными регулировать процесс подзарядки.
