Преимущества и характеристики литий железо фосфатного аккумулятора

Современный рынок пестрит разнообразным электронным оборудованием. Для их функционирования разрабатываются все более совершенные источники питания. Среди них особое место занимают литий железо фосфатные аккумуляторы. Они безопасны, обладают большой электроемкостью, практически не выделяют токсины, долговечны. Возможно, скоро эти батареи вытеснят из устройств своих «собратьев».

Что такое литий железо фосфатный аккумулятор

LiFePo4 аккумуляторы – это высококачественные и надежные источники питания с высокой производительностью. Они активно вытесняют не только морально устаревшие свинцово-кислотные, но и современные Li-ion батареи. Сегодня данные АКБ встречаются не только в промышленном оборудовании, но и в бытовых устройствах – от смартфонов до электровелосипедов.

LFP аккумуляторы были разработаны Массачусетским Технологическим Университетом в 2003 году. Их основа – усовершенствованная технология Li-ion с измененным химическим составом: для анода используется лития феррофосфат вместо кобальтата лития. Широкое распространение АКБ получили благодаря таким компаниям, как Motorola и Qualcomm.

Как осуществляется производство LiFePo4 аккумуляторов

Основные компоненты для изготовления LiFePo4 батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка с металлическим блеском. Схема производства анодов и катодов одинакова, но из-за недопустимости смешивания компонентов все технологические операции выполняются на разных цехах. Все производство делится на несколько этапов.

Первый шаг. Создание электродов. Для этого готовый химический состав покрывается с обеих сторон металлической фольгой (как правило, алюминиевой для катода, а медной для анода). Фольга предварительно обрабатывается суспензией, чтобы она могла выступать в роли приемника тока и токопроводящего элемента. Готовые элементы нарезаются на тонкие полоски и сворачиваются несколько раз, образуя квадратные ячейки.

Второй шаг. Непосредственно сборка батареи. Катоды и аноды в форме ячеек располагают по обе стороны сепаратора из пористого материала, плотно закрепляют на нем. Полученный блок помещают в пластиковый контейнер, заливают электролитом и запечатывают.

Читайте также:  Аккумулятор HR20

Заключительный этап. Контрольная зарядка/разрядка батареи. Зарядка производит с постепенным нарастанием напряжения электротока, чтобы не случился взрыв или воспламенение из-за выделения большого количества тепла. Для разрядки аккумулятор подключают к мощному потребителю. Не выявив отклонений, готовые элементы отправляются к заказчику.

Принцип работы и устройство литий железо фосфатного АКБ

LFP батареи состоят из электродов, плотно прижатых к пористому сепаратору с обеих сторон. Для питания устройств и катод, и анод подключаются к токосъемникам. Все компоненты помещены в пластиковый корпус, залиты электролитом. На корпус помещается контролер, который регулирует подачу тока во время зарядки.

Принцип работы LiFePo4 аккумуляторов основан на взаимодействии литий феррофосфата и углерода. Сама реакция протекает по формуле:

LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

Переносчиком заряда АКБ выступает положительно заряженный ион лития. Он имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов, с образованием химических связей.

Технические характеристики LiFePo4 аккумуляторов

Вне зависимости от производителя все LFP ячейки имеют одинаковые технические характеристики:

• пиковое напряжение – 3,65 V;
• напряжение в средней точке – 3,3 V;
• напряжение в полностью разряженном состоянии – 2,0 V;
• номинальное рабочее напряжение – 3,0-3,3 V;
• минимальное напряжение под нагрузкой – 2,8 V;
• долговечность – от 2-х до 7 тыс. циклов заряда/разряда;
• самозаряд при температуре 15-18 С^о – до 5% в год.

Представленные технические характеристики относятся именно к LiFePo4 ячейкам. В зависимости от того, сколько их объединено одной батареей, будут варьироваться и параметры аккумуляторов.

Экземпляры отечественного производства имеют следующие характеристики:

• емкостью – до 2000 Ач;
• напряжением – 12 v, 24v, 36v и 48v;
• с диапазоном рабочих температур – от -30 до +60 С^о;
• с током заряда – от 4 до 30А.

Все аккумуляторы не теряют свои качества при хранении на протяжении 15 лет, имеют стабильное напряжение и отличаются низкой токсичностью.

Какие бывают LiFePo4 батареи

В отличие от привычных для нас батарей, которые маркируются символами АА или ААА, литий железо фосфатные элементы имеют совершенно иную маркировку форм-фактора – их размеры шифруются 5-значным номером. Все они представлены в таблице.

Читайте также:  Литий-Ионные аккумуляторы

Типоразмер	Габариты, DxL (мм)
14430	14 x 43
14505	14 x 50
17335	17 x 33
18500	18 x 50
18650	18 x 65
26650	26 x 65
32600	32 x 60
32900	32 x 90
38120	38 x 120
40160	40 x 160
42120	42 x 120

Даже не имея перед собой таблицу с обозначением маркировки, можно легко сориентироваться в габаритах батареи. Первый две цифры кода обозначают диаметр, остальные – длину источника питания (мм). Число 5 на конце некоторых типоразмеров соответствует половине миллиметра.

Литий железо фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы

LFP батареи основаны на технологии Li-ion, что позволило им вобрать в себя все плюсы данных источников питания, и одновременно избавиться от присущих им недостатков.

Среди главных достоинств выделяют:

1. Долговечность – до 7 000 циклов.
2. Высокий ток заряда, что сокращает время восполнения энергии.
3. Стабильное рабочее напряжение, которое не падает до полного исчерпания заряда.
4. Высокое пиковое напряжение – 3,65 Вольта.
5. Высокая номинальная емкость.
6. Небольшой вес – до нескольких килограммов.
7. Низкий уровень загрязнения окружающей среды при утилизации.
8. Морозостойкость – работа возможна при температуре от -30 до +60С^о.

Но у аккумуляторов выделяют также и минусы. Первый из них – это высокая стоимость. Цена элемента на 20 Ач может достигать 35 тыс. рублей. Второй и последний недостаток – сложность собственноручной сборки банки батарей, в отличие от литий-ионных элементов. Других явных минусов у этих источников питания пока не выявлено.

Зарядные устройства и как заряжать LiFePo4

Зарядные устройства для LiFePo4 аккумуляторов практически ничем не отличаются от обычных инверторов. В особенности можно записать большая сила тока на выходе – до 30А, что используется для быстрой подзарядки элементов.

Покупая готовый блок батарей трудностей с их зарядкой возникнуть не должно. В их конструкции встроено электронное управление, которое защищает все ячейки от полного разряда и перенасыщения электроэнергией. Дорогие системы используют балансирную плату, которая равномерно распределяет энергию между всеми ячейками устройства.

Читайте также:  Аккумуляторные батарейки AA

Важно при подзарядке не превышать рекомендуемую силу тока, если вы используете сторонние ЗУ. Это снизит срок службы батареи в несколько раз за одну подзарядку. Если батарея нагревается или вздувается, то сила тока превышает допустимые значения.

Где применяются LiFePo4 аккумуляторы

LFP батареи имеют большое значение для промышленности. Их используют для поддержания работоспособности устройств на метеостанциях, больницах. Они также внедряются в качестве буфера на ветряные электростанции и применяют для накопления энергии от солнечных панелей.

Аккумуляторы на 12v начинают использоваться в современных автомобилях вместо привычных свинцово-кислотных элементов. LiFePo4 конструкции устанавливаются в качестве главного источника питания на электровелосипедах и квадроциклах, моторных лодках.

Широко их значение и в быту. Они встраиваются в телефоны, планшеты, и даже в шуруповерты. Однако такие устройства значительно отличаются по цене от своих менее технологичных собратьев. Поэтому встретить их на рынке пока сложно.

Правила хранения, эксплуатации и утилизации LiFePo4

Прежде чем отправить LFP аккумулятор на длительное хранение, необходимо его зарядить до 40-60% и поддерживать этот уровень заряда на протяжении всего срока консервации. Держать АКБ следует в сухом месте, где температура не отпускается ниже комнатных значений.

Во время эксплуатации следует выполнять требования производителя. Важно не допускать перегрева батареи. Если вы заметили, что аккумулятор во время работы или подзарядки нагревается неравномерно, то следует обратиться в ремонтный центр – возможно одна из ячеек вышла из строя, либо присутствуют неисправности блока управления или балансирной платы. Так же следует поступить и при появлении вздутий.

Для правильной утилизации полностью исчерпавшей свой ресурс батареи следует обратиться в специализирующиеся на этом организации. Так вы не только поступите как сознательный гражданин, но и сможете на этом заработать. Однако если вы просто отправите АКБ на свалку, то ничего страшного не произойдет.

Чтобы электронное оборудование работало без нареканий и как можно дольше, производители изобретают новые источники питания. Отдельное место занимают литий ферум фосфатные аккумуляторы. Такие АКБ безопаснее, малотоксичнее, долговечнее. К тому же, у них большая электроемкость, нежели чем у «коллег».

Что такое LiFePo4

Литий железо фосфатный аккумулятор – высокопроизводительное и надежное устройство. Отодвигает на второй план не только никелевые, но и литий-ионные батареи. Аккумуляторы на основе феррофосфатной начинки используются в промышленности, в последних моделях смартфонов и электровелосипедах.

Новая разновидность батареи изобретена в Технологическом Университете Массачусетса в 1996 году, в качестве альтернативы не только морально устаревшим железоникелевым, но и более свежим, но токсичным лиотехам.

В основе – модернизированная схема литиевых источников питания. Железофосфатные аккумуляторы используют в своем химическом составе феррум-фосфат лития взамен литий-кобальта. Японская корпорация А123 первая исследовала бустер, а Qualcomm и Motorola распознали преимущества нового продукта и способствовали его распространению на рынке.

Как создается LiFePo4

Вещества для изготовления литий феррофосфатных аккумуляторов поступают на производство в качестве порошка, цвета серого металлика. Технический процесс изготовления катодов и анодов идентичен, но в целях чистоты производственной схемы вынесен в разные цеха.

Создание железофосфатной батареи занимает несколько ступеней:

1. Изготовление контактов. В процессе совокупность химических элементов покрывается металлической пленкой из меди или алюминия, в зависимости от предназначения. Металл покрывается тонким слоем токопроводящей суспензии. Сформированные катоды и аноды нарезаются на полосы, которые при сворачивании становятся ячейками.
2. Компоновка. Готовые катоды и аноды размещают по бокам отсеивателя и фиксируются на нем. Конструкцию размещают в емкости из пластика, залитой электролитом и герметично закрывают.
3. Проверка на заряд-разряд. Батарею заряжают, поэтапно наращивая напряжение подаваемого тока, во избежание детонации и самовоспламенения. Разряжают изделие подключив к прибору с большой энергопотребностью.
4. Проверка внутреннего сопротивления и напряжения. Производится при помощи уравнения Нернста.
5. Продукция, не получившая нареканий в Отделе Технического Контроля завода, отгружается покупателю.

Принципы устройства АКБ

В составе литий железофосфатных аккумуляторов присутствуют контакты вокруг сепаратора, подключенные к токосъемникам, окруженным электролитом и упакованный в герметичный контейнер. Контроллер, подключенный к емкости, отвечает за регулировку токоподачи в процессе восполнения энергии аккумуляторной батарейки.

Работа железо фосфатных АКБ основывается на гидроксиде калия литиевого железного фосфата. Заряд батареи несет ион лития с положительным зарядом. Ввиду специфических свойств он встраивается в атомарную решетку материала, создавая новую химическую связь.

Технические характеристики LFP

Свойства ячейки будут стабильно идентичны, вне зависимости от производства:

• напряжение в пике – 3.65В;
• среднее напряжение – 3.3В;
• минимум – 2В;
• рабочее напряжение – от 3 до 3.3 вольт;
• удельная плотность: 320-498Дж/г;
• объемная плотность: 790кДж/дм3;
• заряд-разряд циклов для потери емкости: 7000;
• Срок хранения без потери емкости: 15 лет;
• Рабочий диапазон температуры: -30°C/+55°C

Технические характеристики каждого отдельного устройства варьируются исходя из используемого количества ячеек в аккумуляторе. Для электроавтомобиля потребуется аккумулятор с емкостью 20ah, напряжение которого 9.6в, а для электрического велосипеда такая же емкость батареи в 20а/ч выдаст уже 24в.

Ферум фосфатный элемент питания выпускается с различной емкостью: от 12в – для питания пульта управления «умным домом» или шуруповертом, до 72v – для питания лодочных электромоторов.

Изготавливаются они посредством поочередного соединения отсеков в связи с тем, что пиковые напряжения одной секции не будут более 3,65В. По этой причине, элементы с одинаковой емкостью количества ампер и напряжением, будут отличаться габаритами относительно применения в электромобиле или для бесперебойного питания системы оповещения.

Плюсы и минусы

LiFePO4 емкости – вершина творения инженеров в технологии строения аккумуляторов. По многим параметрам они превосходят многих своих конкурентов. Взяв от предшественников, использующих никель в составе, способность к стабильному напряжению при разрядке, он превзошел литий-ионные в долговечности, лишь немного уступив полимерным АКБ в энергоемкости.

Основные достоинства:

• полностью лишен «эффекта запоминания»;
• долгий срок службы при правильной эксплуатации;
• высокая удельная емкость;
• диапазон рабочих температур;
• не обслуживаемые;
• возможна быстрая зарядка емкости до 100 % за 30 минут;
• высокоэффективны;
• экологически чистые.

Основные недостатки:

• габариты и масса внушительны;
• обязательно следовать методике эксплуатации для сохранения свойств;
• сложность при самостоятельной сборке.

Самым существенным недостатком является цена: по отзывам владельцев, аккумулятор на автомобиль может стоять на витрине с ценником в 26800 руб. Купить аналог из Китая не имеет большого смысла: на алиэкспресс стоимость стартует с 700 долларов.

Эксплуатация

Особенности использования

При покупке готовых изделий, трудностей с использованием возникнуть не должно.

Встроенный регулятор напряжения отслеживает емкостность и предупреждает как перезаряд, так и критический разряд.

В случае покупки отдельных ячеек, которыми являются батарейки для пульта или аудиоплейера, придется лично отслеживать эти параметры.

Как только заряд упадет ниже минимального значения, начнет страдать емкость самой батареи, которую уже не получится восполнить до прежних значений. Если допустить чрезмерный заряд – батарейка может вздуться.

Правила использования

При использовании LFP в качестве источника бесперебойного питания или в тандеме с солнечной батареей, стоит понизить заряд до 3.4В. Помочь в подобном деле смогут ЗУ с встроенным датчиком регулировки заряда.

Необходимо отслеживать балансировку составляющих элементов АКБ во избежание разности напряжения в ячейках. Подобная асинхронность сильно уменьшает срок службы аккумулятора.

Перед началом использования

Перед началом использования LiFePO4, собранных посредством последовательного соединения ячеек, обязательно нужно балансировать систему для исключения разности заряда. Все составляющие требуется параллельно подключить к выпрямителю напряжения и зарядить до 3.6В.

Коэффициент полезности у LiFePO4-аккумуляторов на 30% больше, чем у батарей другого химического состава. Выдают стабильный ток и срок службы при грамотной эксплуатации даст фору другим источникам. Единственным фактором, мешающим его повсеместному использованию, становится цена, которая в несколько раз выше привычной.

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.

Используемые источники:

• https://istochnikipitaniy.ru/akkumulyatory/batarei/lifepo4.html
• https://3batareiki.ru/akkumulyatory/litiy-ferum-fosfatni-akumulyatory
• https://fb.ru/article/303279/litiy-jelezo-fosfatnyiy-akkumulyator-harakteristiki-primenenie