Современное оборудование день ото дня становится все более сложным и мощным. Высокие стандарты техники предъявляют повышенные требования к аккумуляторным батареям, которые теперь должны сочетать в себе высокую производительность, энергоэффективность и обладать увеличенным запасом электроэнергии.
Внедрение новых типов электрооборудования в производство, ускорение технологического процесса – все это повышает требования к источникам электроэнергии, и современные аккумуляторные батареи уже не всегда могут им удовлетворять. Для решения этой проблемы производители пошли по пути усовершенствования литий-ионной технологии. Так появился на свет литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4), являющийся идейным потомком Li-ion батарей.
Историческая справка
LiFePO4, или LFP, – естественный минерал семейства оливин, впервые был обнаружен в 1996 году ученым из Техасского университета Джоном Гуденафом, который искал пути усовершенствования Li-ion источников электроэнергии. Примечательным стал тот факт, что данный минерал обладал меньшей токсичностью и более высокой термической устойчивостью, чем все известные на тот момент электроды.
К тому же он встречался в естественной среде и обладал меньшей стоимостью. Главным недостатком электродов на базе LiFePO4 стала небольшая электроемкость, из-за чего литий-железо-фосфатный аккумулятор перестал разрабатываться.
Исследования в этом направлении были возобновлены в 2003 году в Массачусетском технологическом институте. Команда ученых работала над созданием принципиально новых АКБ, которые бы стали заменой самых прогрессивных на тот момент Li-ion батарей. Проектом заинтересовались такие крупные компании, как Motorola и Qualcomm, что приблизило появление батарей с LiFePO4 катодными элементами.
АКБ на основе LiFePO4
Данный тип аккумуляторных батарей использует ту же технологию получения электроэнергии, что и привычные для нас литий-ионные элементы. Однако между ними имеется и ряд существенных отличий. Во-первых, это использование собственного типа BMS – системы управления, которая защищает электрические аккумуляторы от перезаряда и сильной разрядки, повышает срок службы и делает источник энергии более стабильным.
Во-вторых, LiFePO4, в отличие от LiCoO2, менее токсичен. Этот факт позволил избежать ряда проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. В частности сократить выбросы кобальта в атмосферу при неправильной утилизации АКБ.
Наконец, из-за отсутствия единых стандартов LFP элементы обладают разным химическим составом, что обуславливает варьирование технических характеристик моделей в широком диапазоне. Кроме того, обслуживание данных источников питания более сложное и должно происходить с соблюдением определенных правил.
Технические характеристики
Стоит сказать, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы 48 Вольт, 36 Вольт и 60 Вольт изготавливают путем последовательного соединения между собой отдельных ячеек, ибо максимальное напряжение в одной LFP-секции не может превышать 3,65 В. Поэтому технические показатели каждой АКБ могут существенно отличаться между собой – все зависит от сборки и конкретного химического состава.
Для анализа технических характеристик приведем номинальные значения одной отдельно взятой ячейки.
Наилучшая реализация возможностей каждой отдельной ячейки была достигнута в АКБ Everexceed. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы Everexceed отличаются продолжительным сроком службы. Всего они способны выдержать до 4 тыс. циклов зарядки-разрядки с потерей емкости до 20%, а восполнение запаса энергии происходит за 12 минут. Учитывая это, можно сделать вывод, что батареи Everexceed являются одними из лучших представителей LFP-элементов.
Преимущества и недостатки
Основным преимуществом, которое в выгодном свете выделяет литий-железо-фосфатный аккумулятор среди других представителей АКБ, является долговечность. Такой элемент способен выдержать более 3 тыс. циклов зарядки-разрядки при падении уровня электроэнергии до 30%, и более 2 тыс. – при падении до 20%. Благодаря этому средний срок службы батарей составляет около 7 лет.
Стабильный ток заряда является вторым важным преимуществом LFP-элементов. Напряжение на выходе остается равным 3,2 В до тех пор, пока заряд не будет полностью исчерпан. Это позволяет упростить схему подключения, устраняет необходимость использования регуляторов напряжения.
Более высокий пиковый ток – третье их преимущество. Это свойство АКБ позволяет им выдавать максимальную мощность даже при сверхнизких температурах. Данное свойство побудило автомобилестроителей использовать литий-железо-фосфатный аккумулятор в качестве первичного источника энергии при запуске бензиновых и дизельных двигателей.
Наряду со всеми представленными преимуществами, LiFePO4 батареи обладают одним существенным недостатком – большая масса и размеры. Это ограничивает их использование в некоторых видах техники и электрооборудования.
Особенности эксплуатации
Если вы покупаете готовые литиево-фосфатные аккумуляторы, то сложностей с обслуживанием и эксплуатацией у вас не возникнет. Все благодаря тому, что производители встраивают в такие элементы платы BMS, которые не допускают перезаряда и не дают разрядиться элементу до предельно низкого уровня.
Но если вы приобретаете отдельные ячейки (пальчиковые батарейки, например), то вам придется следить за уровнем заряда самостоятельно. При падении заряда ниже критического уровня (ниже 2,00 В) начнет стремительно падать и емкость, что сделает невозможным подзарядку элементов. Если же вы, наоборот, допустите перезаряд (выше 3,75 В), ячейка просто вздуется из-за выделившихся газов.
Если вы используете подобный аккумулятор для электромобиля, то после 100% зарядки вам необходимо отсоединить зарядное устройство. В противном случае батарея разбухнет из-за перенасыщения электрическим током.
Правила эксплуатации
Если вы планируете использовать литиево-фосфорные батареи не в циклическом режиме, а в буферном, например, в качестве источника питания ИБП или совместно с солнечной батареей, то вам необходимо позаботиться о понижении уровня заряда до 3,40-3,45 В. Справиться с этой задачей помогают «умные» зарядные устройства, которые в автоматическом режиме сначала полностью восполняют запас энергии, а затем понижают уровень напряжения.
Во время эксплуатации вам необходимо следить за балансом ячеек или использовать специальные балансировочные платы (в аккумулятор для электромобиля они уже встроены). Дисбалансом ячеек называют такое состояние, когда общее напряжение устройства остается на номинальном уровне, а вот напряжение ячеек становится разным.
Подобное явление происходит из-за разности сопротивлений отдельных секций, плохого контакта между ними. Если ячейки обладают разным напряжением, то и неравномерно происходит их зарядка-разрядка, что существенно снижает срок службы АКБ.
Ввод батарей в эксплуатацию
Перед использованием литиево-фосфорных батарей, собранных из отдельных ячеек, необходимо позаботиться о балансировке системы, так как секции могут иметь разный уровень заряда. Для этого все компоненты параллельно соединяются между собой и подключаются к выпрямителю, зарядному устройству. Соединенные таким образом ячейки надо зарядить до 3,6 В.
Используя аккумулятор литий-железо-фосфатный для электровелосипеда, вы наверняка замечали, что в первые минуты работы АКБ выдает максимальную мощность, а затем заряд стремительно падает до уровня 3,3-3,0 В. Не стоит этого пугаться, ведь это нормальная работа батареи. Дело в том, что основная ее емкость (около 90%) лежит именно в этом диапазоне.
Заключение
КПД литиево-фосфатных батарей на 20-30% выше, чем у других аккумуляторов. При этом они служат на 2-3 года дольше, чем другие источники электроэнергии, а также обеспечивают стабильным током на протяжении всего периода эксплуатации. Все это выделяет представленные элементы в выгодном свете.
Однако большинство людей так и будут игнорировать литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Плюсы и минусы АКБ меркнут перед их ценой – она в 5-6 раз больше, чем у привычных для нас свинцово-кислотных элементов. Такой аккумулятор для автомобиля в среднем стоит около 26 тыс. рублей.
