Литиевые аккумуляторы появились в 1970 г. и с тех пор постоянно совершенствуются. Уже через 10 лет этот элемент получил катод из кобальтита лития, а в 1996 г. – из феррофосфата лития. Последний был назван литий железо фосфатным аккумулятором. О нем пойдет речь в нашей статье. Сегодня мы узнаем, что это за источник энергии и чем он отличается от своих старших собратьев.
Характеристики
Несмотря на сходную конструкцию и общий принцип работы, литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, или LFP) отличаются от своих литиевых предшественников по характеристикам. Познакомимся с основными из них.
Основные характеристики литий-железо-фосфатных аккумуляторов:
- Напряжение, В:
- полностью заряжен – 3.65;
- полностью разряжен – 2.0;
- рабочее – 3.0-3.3;
- среднее – 3.2;
- минимальное рабочее – 2.5;
- минимальное критическое – 2.
- Плотность энергии, Вт*ч/кг – 90-160.
- Саморазряд в месяц, % – 3-5.
- Срок эксплуатации, лет – 15-25 в зависимости от условий.
- Количество циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости (зависит от тока и глубины разряда) – 2 000-7 000.
- Максимальный пиковый (до 8 сек) ток разрядки – 8 °С.
- Максимально допустимый долговременный ток разрядки – 3 °С.
- Диапазон рабочих температур, °С – -30…+55.
Устройство и принцип работы
И конструкция, и принцип работы LFP те же, что и у литиевых элементов любых других типов. Элемент имеет два электрода – анод из алюминия и катод из меди. На катод напыляется пористый графит, на анод — литий-железо-фосфатное соединение. Между электродами установлена полимерная мембрана (сепаратор), пропитанная безводным электролитом – диметилкарбонатом.
На рисунке изображена упрощенная конструкция. На самом деле электроды могут складываться как книжка или сворачиваться в цилиндр. Это позволяет сделать конструкцию более компактной и нужной формы.
Сразу после изготовления литий-железо-фосфатный аккумулятор, как и любой другой литиевый, полностью разряжен. Весь литий находится на аноде, связанный с феррофосфатом. В процессе зарядки положительно заряженные ионы лития (катионы) проникают через мембрану и внедряются в кристаллическую решетку графита с образованием LiC6. В полностью заряженном элементе почти весь литий внедрен в графит катода. В процессе разряда ионы лития покидают катод и возвращаются на анод. Важно отметить, что на обоих этапах материал электролита не расходуется. Электрохимическую схему работы литий-железо-фосфатного элемента можно описать следующим образом:
Как заряжать и разряжать — правила и ограничения
Прежде чем говорить об эксплуатации литий-железо-фосфатных аккумуляторов, разберемся с их отличиями от обычных литий-ионных и литий-полимерных, которые мы привыкли видеть в наших гаджетах.
Начнем с напряжения. На клеммах полностью заряженного LFP-аккумулятора напряжение составляет 3.65 В вместо 4.2. Рабочее – 3-3.3 В. Разряжать LFP ниже 2.5 В нельзя, при 2.0 элемент выходит из строя. Перезаряд, как и любого литиевого АКБ, недопустим, хотя до возгорания дело, как правило, не доходит.
Следующее важное отличие – почти стабильное напряжение на клеммах во время разряда и заряда. Оно держится на одном уровне (около 3.2 В) до полной разрядки, потом скачком падает до минимума. И наоборот – поднимается до 3.6 В при зарядке.
Доля отданной аккумулятором ёмкости зависит от рабочей температуры и при -40 °C может упасть более чем вдвое, хотя батарея сохраняет работоспособность и на срок ее службы это не влияет.
Теперь поговорим о правильной эксплуатации – зарядке, разрядке и хранении. Но прежде еще один момент. При самостоятельной сборке аккумуляторной батареи из нескольких литий-железо-фосфатных элементов, включенных последовательно, в нее необходимо установить ВMS-модуль или хотя бы плату балансировки. Но во втором случае нужно иметь в виду, что аккумуляторная батарея не будет защищена от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Все аккумуляторы, входящие в состав батареи, подбираются с минимальным разбросом по внутреннему сопротивлению и ёмкости.
BMS-плата должна обеспечивать следующие функции:
- Контроль тока всей аккумуляторной ячейки.
- Контроль температуры каждой ячейки.
- Контроль напряжения каждой ячейки.
- Балансировка отдельных ячеек.
- Отключение всей батареи при выходе параметров любой ячейки за допустимый предел.
Зарядка
Рекомендуемый производителем ток заряда для LFP-аккумуляторов и батарей – 0.3С. При необходимости он может быть увеличен до 1С, но злоупотреблять этим не рекомендуется. Заряжать аккумулятор или батарею производитель советует до 85-90%. Это продлит срок службы. Большое значение имеет режим заряда. Он должен быть двухступенчатым (IU) – сначала стабильным током, потом стабильным напряжением. Вторая ступень – стабилизация напряжения – включается тогда, когда напряжение на клеммах батареи достигнет 3.6 В (примерно 80-85% полученной энергии). Полностью процесс останавливается при достижении напряжения на клеммах 3.65-3.7 В. Перезарядка LFP недопустима.
Рекомендуемая температура окружающей среды при зарядке – от 0 до +30 °С. В процессе заряда необходимо также контролировать температуру аккумулятора или каждой ячейки батареи. Если она превысит 55 °С, процесс прекращают до полного остывания АКБ. При температуре ниже нуля зарядка возможна, но зарядный ток упадет до 0.1С и ниже, а полная ёмкость может быть не набрана.
Чтобы не контролировать ток и напряжение вручную, для зарядки литий-железо-фосфатных аккумуляторов и батарей используют автоматические зарядные устройства (ЗУ) именно для этого типа элементов или батарей.
ЗУ, предназначенные для работы с литий-ионными батареями других типов, использовать нельзя – они запрограммированы на другие алгоритмы, токи и конечные напряжения. Исключение составляют лишь универсальные устройства, включенные на соответствующий режим.
Эксплуатация
При эксплуатации аккумулятора или аккумуляторной батареи учитывается, что при увеличении тока разряда снижается доля отданной ёмкости, что, впрочем, присуще аккумуляторам всех типов (эффект Пойкерта). Максимальный долговременный ток разряда LiFePO4 не должен превышать 3С. Не рекомендуется без необходимости разряжать АКБ ниже 10%.
При КЗ ток, отдаваемый LiFePO4 батареей, может достигать 20С в течение 2-3 минут. Как показали испытания, батарея после устранения подобной перегрузки и последующей зарядки током 0.3С остается работоспособной.
Рекомендуемая температура окружающей среды во время разряда литий-железо-фосфатных аккумуляторов – от -20 до +30 °С. Оптимальная температура эксплуатации – +20±5 °С. Более высокие температуры могут привести к снижению срока службы аккумулятора. Низкие температуры не сокращают срок службы, но уменьшают ёмкость, которая восстановится после прогрева. Необходимо избегать длительной эксплуатации аккумуляторов при температурах выше плюс 40 °С.
Хранение
Перед длительным хранением литий-железо-фосфатные аккумуляторы или батареи заряжают до 40-60% от их ёмкости. Оптимальная температура хранения – +10…+25°С. Помещение должно быть сухим, воздух – без химических соединений. Недопустимо держать LFP в разряженном состоянии. При длительном хранении нужен периодический контроль напряжения и при необходимости подзарядка.
Безопасность и экология
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы при правильной эксплуатации не имеют в составе химически чистого лития и наиболее безопасны среди аналогичных источников тока. К примеру, даже если пробить такую ячейку гвоздем насквозь, она не загорится и не взорвется. Это обусловлено ограниченной проводимостью катодного материала. Ничего катастрофического не случится (кроме выхода из строя самого аккумулятора) при длительном внешнем коротком замыкании вплоть до полного разряда.
У LFP-элементов нет в составе токсичных материалов. Они относятся к четвертому классу отходов (малоопасные или твердые бытовые отходы) и не нуждаются в специальных методах утилизации. Феррофосфатную батарею можно просто выбросить в мусорный бак. Для примера кислотно-свинцовые АКБ относятся ко второму классу (высокоопасные) и требуют специальных мер по утилизации.
Где используются
Несмотря на относительную «молодость», литий-железо-фосфатные аккумуляторы и батареи успешно вытесняют другие виды химических накопителей энергии. Сегодня их можно встретить:
- В автомобилях с ДВС в качестве стартерных.
- В электротранспорте – погрузчиках, электромобилях, электроавтобусах, скутерах, самокатах, гольфкарах и т. п.
- В системах выработки и накопления энергии – ветро-, солнечных и других электростанциях.
- В источниках бесперебойного и аварийного питания, системах оперативного постоянного тока (СОПТ).
- В медицинском оборудовании повышенной надежности.
- В туристическом снаряжении.
Типовые форм-факторы
В отличие от привычных нам маркировок гальванических элементов («А», «АА» и т.д.) феррофосфатные аккумуляторы и батареи имеют собственную маркировку, которая привязана к габаритам. К примеру, LFP типоразмера 27148205 представляет собой прямоугольную «банку» 27 х 148 х 205 мм, а 40160 – цилиндр диаметром 40 и высотой 160 мм.
Если в обозначении цилиндрических элементов последняя цифра 5, то она указывает на половину миллиметра: 14505 – диаметр 14, высота – 50.5 мм.
Единичные литий-железо-фосфатные аккумуляторы и батареи выпускаются самой разнообразной формы – от цилиндров и пластин до кубов и параллелепипедов. Размеров тоже множество – от габаритов батарейки «ААА» до автомобильных аккумуляторов и больше. В общем, цифры цифрами, но лучше один раз увидеть.
Примеры LFP-аккумуляторов и батарей разных форм-факторов
Преимущества и недостатки
Подведем итоги, отметив преимущества и недостатки литий-железо-фосфатных аккумуляторов по сравнению с другими типами химических накопителей энергии.
Мы разобрались с тем, что такое LiFePO4-аккумуляторы, которые особо продвинутые называют лиферами. Заодно узнали, как они работают, что умеют и чем отличаются от батарей других типов. Не исключено, что со временем они завоюют весь рынок, а может, им не дадут развиться литиевые батареи на основе кремния и фосфора, разработки которых уже ведутся.
Сейчас читают:
