Литий-железо-фосфатный аккумулятор — особенности и характеристики

Для питания техники нужна электроэнергия. Если раньше использовали свинцово-кислотные аккумуляторы, сейчас, с развитием технологий, востребованы литий-ионные аналоги, характерные высокой энергетической плотностью. Это позволило технике дольше работать на одном заряде. Такие АКБ ставят в смартфоны, ноутбуки, камеры и прочие устройства, но их рабочий ресурс оставляет желать лучшего. Литий-ионную технологию усовершенствовали, и так появился литий железо фосфатный аккумулятор.

Устройство и принцип работы

Аккумулятор литий железо фосфат, который еще называют LiFePO4 или коротко LFP, состоит из электродов, плотно прижатых к сепаратору с обеих сторон. Для полноценного питания устройств анод и катод подключены к токосъемникам. Элементы спрятаны в пластиковом корпусе, внутри которого – электролит. Батарея оснащена микроконтроллером, функция которого – регулировка силы тока при подзарядке.

Технология получения электроэнергии та же, что и у обычных литий-ионных элементов. Но применяется свой тип BMS (защиты). Комплектная система управления уберегает он перезарядки и глубокого разряда, продлевает срок службы и в целом увеличивает надежность АКБ.

Батареям LFP не присущи единые стандарты, поэтому они имеют разный химический состав. Соответственно, литий ферум фосфатный, железо никелевый и железофосфатный аккумулятор будут отличаться техническими характеристиками.

В основу работы аккумулятора заложен принцип взаимодействия углерода и феррофосфата. Переносчиком электрического заряда служит литиевый ион с положительным зарядом. В активном состоянии он попадает в кристаллическую решетку иных веществ, что приводит к образованию химических связей.

Преимущества LiFePO4:

• безопасны (не возгораются даже при разгерметизации корпуса);
• не токсичны;
• устойчивы к аварийным ситуациям;
• способны выдержать разрядный ток до 25С;
• долговечны;
• актуальны для устройств с высокими токовыми нагрузками;
• низкий саморазряд;
• устойчивы к низким температурам;
• отсутствует выраженный «эффект памяти»;
• возможность быстрой зарядки высокими токами.

Из недостатков: низкий уровень напряжения, меньшая энергоемкость, чувствительность к прямому контакту с влагой, цена.

Характеристики

Железофосфатные батареи производят по единому принципу. Отсюда – идентичные свойства ячейки (сформированные катоды и аноды):

• максимальное пиковое напряжение – 3.65 В;
• средний уровень напряжения – 3.3 В;
• номинальное рабочее напряжение – 3 – 3.3 В;
• напряжение в разряженном состоянии – 2 В;
• напряжение под нагрузкой – 2.8 В;
• срок службы – 3000 – 7000 циклов разрядки-зарядки;
• саморазряд – 5% в год (сухое помещение, температура +15-18° C);
• рабочие температуры – от -30 до +55° C;
• энергоемкость – 2500 – 6000 мАч (зависит от размеров ячейки);
• удельная мощность – 90 – 120 Вт х ч/кг.

Аккумуляторные батареи собираются путем объединения ячеек, причем по разным схемам, поэтому модели различаются эксплуатационными параметрами. Например, энергоемкость может достигать 2000 Ач, а в плане напряжения встречаются изделия на 12, 24, 36, 48 или 72 В.

Если соединять ячейки последовательно – емкость остается прежней, но суммируется напряжение. При параллельном соединении растет емкость, а напряжение не меняется.

Литий фосфатный аккумулятор российского производства имеет такие характеристики:

• энергоемкость – до 2000 Ач;
• напряжение – 12, 24, 36 или 48 В;
• рабочие температуры – от -30 до +60° C (хорошо себя показывает на морозе);
• ток заряда – 4 – 30 А.

Выпускаемые элементы питания не теряют своих свойств на протяжении 15 лет, их напряжение остается стабильным. Одна из особенностей в сравнении с аналогами – низкая токсичность.

Разновидности литий-железо-фосфатных АКБ

Привычные потребителю источники питания имеют маркировку АА или ААА. В случае с LFP-батареями, их размеры зашифрованы в 5-значном номере. В таблице – несколько вариантов.

Области эксплуатации

Наибольшее применение такие элементы нашли в промышленности. Ими запитывается оборудование на метеостанциях, в больницах. Их используют как буфер на ветряных электростанциях, чтобы накапливать энергию от солнечных панелей.

Модели 12 В уже устанавливают в автомобили, взамен устаревшим свинцово-кислотным. Также LFP-аккумуляторы применяются как главный источник питания на электротранспорте, моторных лодках.

В быту они тоже актуальны, например, для питания смартфонов, планшетов, аккумуляторных инструментов. Но элементы дорогие, что ограничивает их распространение.

В целом, литий-железо-фосфатные аккумуляторы применяют там, где нужна повышенная токоотдача и возможность быстрой подзарядки.

Основные правила использования

Если покупается готовая аккумуляторная батарея, она не вызовет проблем в обслуживании и работе. Дело в том, что производителем предусмотрена плата BMS, контролирующая важные параметры. Другой вопрос, если приходится работать с отдельными ячейками, например, пальчиковыми батарейками. В этом случае важно следить за процессом зарядки.

Зарядка

Инвесторам приглянулась феррофосфатная химия в первую очередь потому что она дает возможность быстрой подзарядки. С этой целью выпускаются особые зарядные устройства, которые для иных АКБ не подходят (вызовут перегрев). Они способны полностью восстановить емкость за 12 – 15 минут. Впрочем, для зарядки феррофосфатных батарей подойдет и обычное ЗУ, но лучше пользоваться «умной» моделью, которая будет контролировать процесс.

Не зря АКБ предполагает плату BMS – она предотвращает перезаряд, «глубокий» разряд, короткое замыкание, а также балансирует элементы питания путем выравнивания их напряжения. Встречаются модели без защитных плат, и они быстро выходят из строя при перезарядке или разрядке ниже допустимого предела.

LFP-аккумуляторы заряжаются в два этапа:

1. Постоянным током, пока не наберут нужного напряжения.
2. При постоянном напряжении до минимальной величины тока зарядки (алгоритм CC/CV).

Если брать один элемент, оптимальным напряжением заряда будет значение 3.6 – 3.65 В.

С готовыми блоками батарей проблем не возникает – они оснащены электронным управлением, балансирной платой. При использовании стороннего ЗУ важно не превышать силу тока, иначе АКБ быстро деградирует.

Подзаряжаемый элемент должен иметь комнатную температуру корпуса. Заряжать аккумулятор, только что принесенный с мороза – нельзя.

Хранение

Перед тем, как отправлять источник питания на хранение, его надо зарядить до уровня 40 – 60%. Это значение важно поддерживать в течение всего срока консервации. Если из-за последующего саморазряда напряжение упадет до критической отметки даже на одном элементе, снизится емкость всего накопителя энергии. Необходимые условия: сухое место с комнатной температурой, без прямого проникновения солнечных лучей, способных вызвать нагрев корпуса устройства.

Утилизация

Если батарея «отжила свое» и не пригодна для дальнейшей работы, обращаются к профильной компании. Утилизационные предприятия перерабатывают источник питания, а вторсырье используют, например, для сборки блоков хранения электроэнергии от солнечных батарей, ветряков, малых гидроэлектростанций.

Впрочем, ввиду состава, можно просто выбросить отслужившую железо-фосфатную батарею – она ни причинит ущерба окружающей среде, в отличие от устаревших аналогов. Но все же рекомендуется сдавать на утилизацию, тем более, это возможность немного подзаработать.

Производители

В России такой тип батарей изготавливают компании «Бастион», «Лиотех», «Вело Аккумулятор». Из зарубежных производителей себя зарекомендовали: «Ensol», «Aspil», «Energy».

Компоненты для изготовления батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка. Аноды и катоды делаются по одной схеме, но, так как нельзя смешивать компоненты, технологические операции выполняют на разных цехах. Этапы производства:

• создание электродов. Берут готовый химический состав и покрывают металлической фольгой (для катода – из алюминия, анода – медная). Чтобы фольга принимала ток и служила токопроводящим элементом, ее обрабатывают специальной суспензией. Обернутые элементы разрезают на полоски и сворачивают, пока те не примут вид квадратных ячеек;
• сборка батареи. Катоды и аноды располагают с обеих сторон сепаратора и крепят на нем. Конструкцию прячут в контейнер из пластика, куда заливают электролит, а затем запечатывают;
• контрольная зарядка-разрядка. В ходе подзарядки постепенно поднимают напряжение. Если сделать это резко, есть вероятность воспламенения. Разрядка требует подключения к мощному потребителю. Если отклонений не выявлено – источник питания отправляется заказчику.

Литий-железо-фосфатные батареи наиболее «молодые» на отечественном рынке элементов питания. В сравнении с аналогами, их КПД на 20 – 30% выше, они дают стабильный ток на протяжении всего срока службы. Но так как цена в 5 – 6 раз выше свинцово-кислотных АКБ, о быстром распространении пока судить тяжело, но технология перспективна.