Літій-залізо-фосфатний акумулятор
Сучасне обладнання з кожним днем 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 мати збільшений запас електроенергії.
Впровадження нових типів електрообладнання у виробництво, прискорення технологічного процесу – це підвищує вимоги до джерел електроенергії, і сучасні акумуляторні батареї не завжди можуть їм задовольняти. Для вирішення цієї проблеми виробники пішли шляхом удосконалення літій-іонної технології. Так з'явився світ літій-залізо-фосфатний акумулятор (LiFePO4), що є ідейним нащадком Li-ion батарей.
Історична довідка
LiFePO4, або LFP, – природний мінерал сімейства олівін, вперше був виявлений у 1996 році вченим із Техаського університету Джоном Гуденафом, який шукав шляхи вдосконалення Li-ion джерел електроенергії. Примітним став той факт, що даний мінерал мав меншу токсичність і вищу термічну стійкість, ніж усі відомі на той момент електроди.
До того ж він зустрічався в природному середовищі і мав меншу вартість. Головним недоліком електродів на базі LiFePO4 стала невелика електроємність, через що літій-залізо-фосфатний акумулятор перестав розроблятися.
Дослідження у цьому напрямі було відновлено у 2003 році у Массачусетському технологічному інституті. Команда вчених працювала над створенням принципово нових АКБ, які стали заміною найпрогресивніших на той момент Li-ion батарей. Проектом зацікавилися такі великі компанії, якMotorola та Qualcomm, що наблизило появу батарей з LiFePO4 катодними елементами.
АКБ на основі LiFePO4
Даний тип акумуляторних батарей використовує ту ж технологію отримання електроенергії, що й звичні для нас літій-іонні елементи. Однак між ними є й низка істотних відмінностей. По-перше, це використання власного типу BMS – системи управління, яка захищає електричні акумулятори від перезаряду та сильної розрядки, підвищує термін служби та робить джерело енергії стабільнішим.
По-друге, LiFePO4, на відміну LiCoO2, менш токсичний. Цей факт дозволив уникнути низки проблем, пов'язаних із забрудненням довкілля. Зокрема, скоротити викиди кобальту в атмосферу при неправильній утилізації АКБ.
Нарешті, через відсутність єдиних стандартів LFP елементи мають різний хімічний склад, що зумовлює варіювання технічних характеристик моделей у широкому діапазоні. Крім того, обслуговування даних джерел живлення складніше 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 осередків, бо максимальна напруга в одній LFP-секції не може перевищувати 3,65 В. Тому технічні показники кожної АК відрізнятися між собою – все залежить від складання та конкретного хімічного складу.
Для аналізу технічних характеристик наведемо номінальні значення одного окремо взятого осередку.
Найкращої реалізації можливостей кожного окремого осередку було досягнуто в АКБ Everexceed. Літій-залізо-фосфатні акумулятори Everexceed відрізняються тривалим терміном служби.Усього вони здатні витримати до 4 тис. циклів зарядки-розрядки із втратою ємності до 20%, а заповнення запасу енергії відбувається за 12 хвилин. З огляду на це можна зробити висновок, що батареї Everexceed є одними з найкращих представників LFP-елементів.
Переваги і недоліки
Основною перевагою, що у вигідному світлі виділяє літій-залізо-фосфатний акумулятор серед інших представників АКБ, є довговічність. Такий елемент здатний витримати понад 3 тис. циклів зарядки-розрядки при падінні рівня електроенергії до 30% і понад 2 тис. – при падінні до 20%. Завдяки цьому середній термін служби батарей становить близько 7 років.
Стабільний струм заряду є другою важливою перевагою LFP-елементів. Напруга на виході залишається рівним 3,2 В, поки заряд не буде повністю вичерпаний. Це дозволяє спростити схему підключення, усуває необхідність використання регуляторів напруги.
Вищий піковий струм - третя їх перевага. Ця властивість АКБ дозволяє їм видавати максимальну потужність навіть за наднизьких температур. Ця властивість спонукала автомобілебудівників використовувати літій-залізо-фосфатний акумулятор як первинне джерело енергії при запуску бензинових і дизельних двигунів.
Поряд з усіма представленими перевагами, LiFePO4 батареї мають один істотний недолік - велика маса і розміри. Це обмежує їх використання у деяких видах техніки та електроустаткування.
Особливості експлуатації
Якщо ви купуєте готові літієво-фосфатні акумулятори, то складнощі з обслуговуванням та експлуатацією у вас не виникне. Все завдяки тому, що виробники вбудовують у такі елементи плати BMS, які не допускають перезаряджання та недають розрядитись 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 2,00 В) почне стрімко падати і ємність, що унеможливить підзарядку елементів. Якщо ж ви, навпаки, допустите перезаряд (вище 3,75 В), осередок просто здується через гази, що виділилися.
Якщо ви використовуєте подібний акумулятор для електромобіля, то після 100% заряджання вам необхідно від'єднати зарядний пристрій. В іншому випадку батарея розбухне через перенасичення електричним струмом.
Правила експлуатації
Якщо ви плануєте використовувати літієво-фосфорні батареї не в циклічному режимі, а в буферному, наприклад, як джерело живлення ДБЖ або спільно з сонячною батареєю, вам необхідно подбати про зниження рівня заряду до 3,40-3,45 В. цим завданням допомагають «розумні» зарядні пристрої, які в автоматичному режимі спочатку повністю заповнюють запас енергії, а потім знижують рівень напруги.
Під час експлуатації необхідно стежити за балансом осередків або використовувати спеціальні балансувальні плати (в акумулятор для електромобіля вони вже вбудовані). Дисбалансом осередків називають такий стан, коли загальна напруга пристрою залишається на номінальному рівні, а ось напруга осередків стає різною.
Подібне явище відбувається через різницю опорів окремих секцій, поганого контакту між ними. Якщо осередки мають різну напругу, то й нерівномірно відбувається їх зарядка-розрядка, що істотно знижує термін служби АКБ.
Введення батарей в експлуатацію
Перед використанням літієво-фосфорних батарей, зібраних з окремих осередків, необхідно подбати про балансування системи, оскільки секції можуть мати різний рівень заряду. Для цього всі компоненти паралельно з'єднуються між собою та підключаються до випрямляча, зарядного пристрою. Сполучені таким чином комірки треба зарядити до 36 В.
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 3,3-3,0 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 літієво-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 стабільний струм протягом усього періоду експлуатації. Все це виділяє представлені елементи у вигідному світлі.
Однак більшість людей так і ігноруватимуть літій-залізо-фосфатні акумулятори. Плюси та мінуси АКБ тьмяніють перед їхньою ціною – вона в 5-6 разів більша, ніж у звичних для нас свинцево-кислотних елементів. Такий акумулятор для автомобіля в середньому коштує близько 26 тисяч рублів.