Літій-залізо-фосфатний акумулятор: характеристики, застосування

Сучасне обладнання день від дня стає все більш складним і потужним. Високі стандарти техніки пред'являють підвищені вимоги до акумуляторних батарей, які тепер повинні поєднувати в собі високу продуктивність, енергоефективність і володіти збільшеним запасом електроенергії. Впровадження нових типів електрообладнання у виробництво, прискорення технологічного процесу – все це підвищує вимоги до джерел електроенергії, і сучасні акумуляторні батареї вже не завжди можуть задовольняти. Для вирішення цієї проблеми виробники пішли по шляху вдосконалення літій-іонної технології. Так з'явився на світ літій-залізо-фосфатний акумулятор (LiFePO4), який є ідейним нащадком Li-ion батарей.

Історична довідка

LiFePO4 або LFP, – природний мінерал сімейства олівін, вперше був виявлений в 1996 році вченим з Техаського університету Джоном Гуденафом, який шукав шляхи вдосконалення Li-ion джерел електроенергії. Примітним став той факт, що даний мінерал володів меншою токсичністю і більш високою термічною стійкістю, ніж усі відомі на той момент електроди. До того ж він зустрічався в природному середовищі і володів меншою вартістю. Головним недоліком електродів на базі LiFePO4 стала невелика електроємність, з-за чого літій-залізо-фосфатний акумулятор перестав розроблятися. Дослідження в цьому напрямку були відновлені в 2003 році в Массачусетському технологічному інституті. Команда вчених працювала над створенням принципово нові АКБ, які б стали заміною найбільш прогресивних на той момент Li-ion батарей. Проектом зацікавилися такі великі компанії, як Motorola і Qualcomm, що наблизило поява батарей з LiFePO4 катодними елементами.

АКБ на основі LiFePO4

Даний тип акумуляторних батарей використовує ту ж технологію отримання електроенергії, що і звичні для нас літій-іонні елементи. Однак між ними є і ряд суттєвих відмінностей. По-перше, це використання власного типу BMS – системи управління, яка захищає електричні акумулятори від перезаряду і сильної розрядки, підвищує термін служби і робить джерело енергії більш стабільним. По-друге, LiFePO4 на відміну від LiCoO2 менш токсичний. Цей факт дозволив уникнути низки проблем, пов'язаних із забрудненням навколишнього середовища. Зокрема скоротити викиди кобальту в атмосферу при неправильної утилізації АКБ. Нарешті, через відсутність єдиних стандартів LFP елементи володіють різним хімічним складом, що зумовлює варіювання технічних характеристик моделей в широкому діапазоні. Крім того, обслуговування даних джерел живлення більш складне і має відбуватися з дотриманням певних правил.

Технічні характеристики

Варто сказати, що літій-залізо-фосфатні акумулятори 48 Вольт, 36 Вольт і 60 Вольт виготовляють шляхом послідовного з'єднання між собою окремих комірок, бо максимальна напруга в одній LFP-секції не може перевищувати 365 Ст. Тому технічні показники кожної АКБ можуть істотно відрізнятися між собою – все залежить від зборки і конкретного хімічного складу.
Для аналізу технічних характеристик наведемо номінальні значення одній окремо взятій осередку. Найкраща реалізація можливостей кожної окремої комірки була досягнута в АКБ Everexceed. Літій-залізо-фосфатні акумулятори Everexceed відрізняються тривалим терміном служби. Вони здатні витримати до 4 тис. циклів зарядки-розрядки з втратою ємності до 20%, а поповнення запасу енергії відбувається за 12 хвилин. Враховуючи це, можна зробити висновок, що батареї Everexceed є одними з кращих представників LFP-елементів.

Переваги і недоліки

Основною перевагою, яке у вигідному світлі виділяє літій-залізо-фосфатний акумулятор серед інших представників АКБ, є довговічність. Такий елемент здатний витримати більше 3 тис. циклів зарядки-розрядки при падінні рівня електроенергії до 30%, і понад 2 тис. – при падіння до 20%. Завдяки цьому середній термін служби батарей становить близько 7 років. Стабільний струм заряду є другим важливим перевагою LFP-елементів. Напруга на виході залишається рівним 32 до тих пір, поки заряд не буде повністю вичерпано. Це дозволяє спростити схему підключення, усуває необхідність використання регуляторів напруги. Більш високий піковий струм – третє їхня перевага. Це властивість АКБ дозволяє їм видавати максимальну потужність навіть при наднизьких температурах. Дана властивість спонукало автомобілебудівників використовувати літій-залізо-фосфатний акумулятор в якості первинного джерела енергії при запуску бензинових і дизельних двигунів. Поряд з усіма представленими перевагами, LiFePO4 батареї володіють одним істотним недоліком – велика маса і розміри. Це обмежує їх використання в деяких видах техніки та електрообладнання.

Особливості експлуатації

Якщо ви купуєте готові літієво-фосфатні акумулятори, то труднощів з обслуговуванням і експлуатацією у вас не виникне. Все завдяки тому, що виробники вбудовують в такі елементи плати BMS, які не допускають перезаряду і не дають розрядитися елементу до гранично низького рівня.
Але якщо ви купуєте окремі осередки (пальчикові батарейки, наприклад), то вам доведеться стежити за рівнем заряду самостійно. При падінні заряду нижче критичного рівня (нижче 200) почне стрімко падати і ємність, що зробить неможливим підзарядку елементів. Якщо ж ви, навпаки, допустіть перезаряд (вище 375), осередок просто набухне з-за газів, що виділилися. Якщо ви використовуєте такий акумулятор для електромобіля, то після 100% зарядки вам необхідно від'єднати зарядний пристрій. В іншому випадку батарея розбухне із-за перенасичення електричним струмом.

Правила експлуатації

Якщо ви плануєте використовувати літієво-фосфорні батареї не в циклічному режимі, а в буферному, наприклад, в якості джерела живлення ДБЖ або спільно з сонячною батареєю, то вам необхідно подбати про зниження рівня заряду до 340-345 Ст. Впоратися з цим завданням допомагають «розумні» зарядні пристрої, які в автоматичному режимі спочатку повністю заповнюють запас енергії, а потім знижують рівень напруги. Під час експлуатації вам необхідно стежити за балансом клітинок або використовувати спеціальні балансувальні плати (акумулятор для електромобіля вони вже вбудовані). Дисбалансом осередків називають такий стан, коли загальна напруга пристрою залишається на номінальному рівні, а ось напруга осередків стає різним. Подібне явище відбувається із-за різниці опорів окремих секцій, поганого контакту між ними. Якщо комірки мають різною напругою, то і нерівномірно відбувається їх зарядка-розрядка, що істотно знижує термін служби АКБ.

Введення акумуляторів в експлуатацію

Перед використанням літій-фосфатних батарей, зібраних з окремих комірок, необхідно подбати про балансування системи, так як секції можуть мати різний рівень заряду. Для цього всі компоненти паралельно з'єднуються між собою і підключаються до випрямителю, зарядного пристрою. Сполучені таким чином комірки треба зарядити до 36 Ст. Використовуючи акумулятор літій-залізо-фосфатний для електровелосипеда, ви напевно помічали, що в перші хвилини роботи АКБ видає максимальну потужність, а потім заряд стрімко падає до рівня 33-30 В. Не варто цього лякатися, адже це нормальна робота батареї. Справа в тому, що основна її ємність (близько 90%) лежить саме в цьому діапазоні.

Висновок

ККД літій-фосфатних батарей на 20-30% вище, ніж у інших акумуляторів. При цьому вони служать на 2-3 роки довше, ніж інші джерела електроенергії, а також забезпечують стабільним струмом протягом усього періоду експлуатації. Все це виділяє представлені елементи у вигідному світлі. Проте більшість людей так і будуть ігнорувати літій-залізо-фосфатні акумулятори. Плюси і мінуси АКБ меркнуть перед їх ціною – вона в 5-6 разів більше, ніж у звичних для нас свинцево-кислотних елементів. Такий акумулятор для автомобіля в середньому коштує близько 26 тис. рублів.