На сегодняшний день существует большое количество аккумуляторов с различными типами химии. Наиболее популярными аккумуляторами сегодня являются литий-ионные. К этой же группе относятся и литий-железо-фосфатные (феррофосфатные) аккумуляторы. Если все элементы питания, относящиеся к данной категории, в общем и целом похожи друг на друга по техническим характеристикам, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют свои уникальные особенности, выделяющие их среди других аккумуляторов, сделанных по литий-ионной технологии.
История открытия литий-железо-фосфатного аккумулятора
Изобретателем LiFePO4 аккумулятора является Джон Гуденаф, который работал в 1996 году в Техасском университете над созданием нового материала для катода под литий-ионные аккумуляторы. Профессору удалось создать материал, обладающий большей дешевизной, имеющий меньшую токсичность и высокую термоустойчивость. Среди недостатков элемента питания, в котором использовался новый катод, была меньшая емкость.
Изобретением Джона Гуденафа никто не интересовался, но в 2003 году компания A 123 Systems решила развить данную технологию, посчитав ее достаточно перспективной. Инвесторами данной технологии стали многие крупные корпорации - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
Характеристика LiFePO4 аккумуляторов
Напряжение феррофосфатного аккумулятора такое же, как и у других элементов питания, относящихся к литий-ионной технологии. Номинальное напряжение зависит от габаритов аккумулятора (типоразмера, форм-фактора). Для элементов питания 18 650 это 3,7 вольт, для 10 440 (мизинчиковые) – 3,2, для 24 330 – 3,6.
Практически у всех аккумуляторов напряжение в процессе разрядки постепенно падает. Одной из уникальных особенностей является стабильность напряжения при работе у LiFePO4-аккумуляторов. Характеристики напряжения аналогичные этим имеют аккумуляторы, сделанные по никелевой технологии (никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные).
Напряжение при полном разряде равно 2,0 вольтам, что является самой низкой зарегистрированной границей на разряд среди всех аккумуляторов на литиевой технологии. Данные аккумуляторы являются лидерами и в сроке службы, который приравнивается к 2000 циклам на заряд и разряд. Ввиду безопасности своей химической структуры LiFePO4-аккумуляторы есть возможность зарядить при помощи специального ускоренного метода дельта V, когда на аккумулятор подается большой ток.
Многие элементы питания не выдерживают зарядку по такому методу, что приводит к их чрезмерному нагреву и порче. В случае с литий-железо-фосфатными аккумуляторами использовать такой метод не просто можно, а даже рекомендуется. Поэтому специально для зарядки таких элементов питания существуют и особые зарядные устройства. Разумеется, такие зарядные устройства нельзя использовать на батарейках с другой химией. В зависимости от форм-фактора, литий-железо-фосфатные аккумуляторы на таких зарядных устройствах могут зарядиться полностью за 15-30 минут.
Последние разработки в области LiFePO4-аккумуляторов предлагают пользователю элементы питания с улучшенным диапазоном рабочих температур. Если стандартным диапазоном для литий-ионных аккумуляторов является работа от -20 до +20 градусов Цельсия, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут отлично работать в диапазоне от -30 до +55. Зарядка или разрядка элемента питания при температурах выше или ниже описанных будет сильно портить батарейку.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы подвержены эффекту старения в гораздо меньшей степени по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. Старение - это естественная потеря емкости со временем, которая не зависит от того, используется ли элемент питания или лежит на полочке. Для сравнения: все литий-ионные аккумуляторы теряют около 10 % емкости каждый год. Литий-железо-фосфатные же теряют всего 1,5 %.
Из минусов данных аккумуляторов стоит выделить меньшую емкость, которая на 14 % меньше (или около того), чем у других литий-ионных элементов питания.
Безопасность феррофосфатных аккумуляторов
Данный вид элементов питания считается одним из самых безопасных среди всех существующих видов аккумуляторов. Литий-фосфатные аккумуляторы LiFePO4 имеют очень стабильную химию, и способны хорошо выдерживать большие нагрузки при разряде (в работе с низким сопротивлением) и заряде (при зарядке аккумулятора большими токами).
За счет того, что фосфаты химически безопасны, данные батарейки легче утилизировать, после того как они отработают свой ресурс. Многие аккумуляторы на опасной химии (например, литий-кобальтовые) приходится подвергать дополнительным процессам утилизации, для того чтобы свести на нет их опасность для окружающей среды.
Зарядка литий-железо-фосфатных аккумуляторов
Одной из причин коммерческого интереса инвесторов к феррофосфатной химии стала возможность быстрой зарядки, вытекающая из ее стабильности. Сразу после организации конвейерного выпуска LiFePO4-аккумуляторов они позиционировались как элементы питания, которые можно быстро зарядить.
Для этой цели стали выпускаться специальные зарядные устройства. Как уже было написано выше, такие зарядные устройства нельзя использовать на других аккумуляторах, так как это вызовет их перегрев и будет сильно портить их.
Специальное зарядное устройство для данных аккумуляторов способно зарядить их за 12-15 минут. Феррофосфатные батарейки можно заряжать и обычными зарядниками. Существуют также и комбинированные варианты зарядных устройств с обоими режимами зарядки. Наилучшим вариантом, конечно, будет использование умных зарядных устройств с множеством опций, регулирующих процесс зарядки.
Устройство литий-железо-фосфатного аккумулятора
Никаких особенностей во внутреннем устройстве литий-железо-фосфатный LiFePO4 аккумулятор по сравнению со своими собратьями по химической технологии не имеет. Изменению подвергся только один элемент – катод, сделанный из фосфата железа. Материалом анода является литий (все элементы питания на литий-ионной технологии имеют литиевый анод).
Работа любого аккумулятора основана на обратимости химической реакции. Иначе процессы, происходящие внутри аккумулятора, называются процессами окисления и восстановления. Любой аккумулятор состоит из электродов – катода (минуса) и анода (плюса). Также внутри любого аккумулятора имеется сепаратор – пористый материал, пропитанный специальной жидкостью – электролитом.
При разрядке аккумулятора ионы лития движутся через сепаратор от катода к аноду, отдавая накопленный заряд (окисление). При зарядке аккумулятора ионы лития движутся в обратном направлении от анода к катоду, накапливая заряд (восстановление).
Виды литий-железо-фосфатных аккумуляторов
Все виды аккумуляторов на данной химии можно условно разделить на четыре категории:
- Полноценные АКБ.
- Большие ячейки в виде параллелепипедов.
- Небольшие ячейки в виде параллелепипедов (призматики - аккумуляторы LiFePO4 на 3,2 V).
- Небольшие плоские аккумуляторы (пакеты).
- Цилиндрические аккумуляторы.
Литий-железо-фосфатные АКБ и ячейки могут иметь разное номинальное напряжение от 12 до 60 вольт. Они во многом опережают традиционные свинцово-кислотные АКБ: цикл работы гораздо выше, вес в несколько раз ниже, подзаряжаются в несколько раз быстрее.
Цилиндрические аккумуляторы на данной химии используются как отдельно, так и в цепи. Габариты данных цилиндрических аккумуляторов бывают самыми различными: от 14 500 (пальчиковые) до 32 650.
Литий-железо-фосфатные АКБ
Отдельного внимания достойны феррофосфатные АКБ для велосипедов и электроциклов. С изобретением нового железо-фосфатного катода наряду с прочими видами аккумуляторов на данной химии вышли и специальные АКБ, которые ввиду их улучшенных характеристик и меньшего веса можно удобно использовать даже на обычных велосипедах. Подобные АКБ сразу обрели популярность среди любителей модернизации своих велосипедов.
Применение феррофосфатных аккумуляторов
Роль АКБ на данной химии понятна и без комментариев. Под разные цели используются призматики – аккумуляторы LiFePO4 3,2 v. Ячейки большего размера используются в качестве элементов буферных систем для солнечной энергетики и ветрогенераторов. Феррофосфатные аккумуляторы активно используются в конструкции электромобилей.
Небольшие плоские аккумуляторы применяются для телефонов, ноутбуков и планшетных ПК. Цилиндрические элементы питания разных форм-факторов применяются для страйкбольного оружия, электронных сигарет, радиоуправляемых моделей и пр.
