Bateria litowo-żelazowo-fosforanowa: charakterystyka, zastosowanie

Nowoczesne wyposażenie każdego dnia staje się coraz bardziej złożone i skuteczne. Wysoki standard technologii stawia wysokie wymagania wobec baterii, które teraz muszą łączyć w sobie wysoką wydajność, efektywność energetyczną i zwiększoną dostawę energii elektrycznej.

Wprowadzenie nowych rodzajów urządzeń elektrycznych do produkcji, przyspieszenie procesu technologicznego – wszystko to zwiększa wymagania dotyczące źródeł energii elektrycznej, a nowoczesne baterie nie zawsze ich zaspokajają. Aby rozwiązać ten problem, producenci poszli na ścieżkę poprawy technologii litowo-jonowej. W ten sposób urodził się akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO4), który jest ideologicznym następcą akumulatorów litowo-jonowych.

Historyczne tło

LiFePO4 lub LFP, naturalny minerał z rodziny oliwin, został po raz pierwszy odkryty w 1996 roku przez naukowca z University of Texas, John Goodenough, który szukał sposobów na poprawę źródeł energii Li-ion. Warto zauważyć fakt, że ten minerał miał mniej toksyczności i wyższą trwałość termiczną niż wszystkie znane elektrody w tym czasie.

Ponadto poznał w środowisku naturalnym i miał niższy koszt. Główną wadą elektrod opartą na LiFePO4 jest mała pojemność elektryczna, dlatego akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy przestał być rozwijany.

Badania w tym kierunku zostały wznowione w 2003 r. W Massachusetts Institute of Technology. Zespół naukowców pracował nad stworzeniem zasadniczo nowych baterii, które zastąpiłyby w tym czasie najbardziej zaawansowane baterie litowo-jonowe. Projekt był zainteresowany takimi dużymi firmami jak Motorola i Qualcomm, które przyniosły wygląd baterii z elementami katodowymi LiFePO4.

Bateria oparta na LiFePO4

Ten typ baterii wykorzystuje tę samą technologię do wytwarzania energii elektrycznej jak zwykłe komórki litowo-jonowe. Istnieją jednak znaczne różnice między nimi. Po pierwsze, jest to wykorzystanie zastrzeżonego typu BMS, systemu kontroli, który chroni akumulatory elektryczne przed przeładowaniem i silnym rozładowaniem, wydłuża żywotność i sprawia, że źródło energii jest bardziej stabilne.

Po drugie, LiFePO4, w przeciwieństwie do LiCoO2, jest mniej toksyczny. Fakt ten pozwoli uniknąć wielu problemów związanych z zanieczyszczeniem środowiska. W szczególności, aby zredukować emisję kobaltu w atmosferze z niewłaściwą utylizacją baterii.

Wreszcie ze względu na brak jednolitych standardów dla elementów LFP mają inną skład chemiczny, co powoduje różnice w specyfikacjach technicznych modeli w szerokim zakresie. Ponadto utrzymanie tych zasilaczy jest bardziej złożone i musi być wykonane zgodnie z określonymi zasadami.

Specyfikacje techniczne

Należy zauważyć, że akumulatory litowo-fosforanowe 48 V, 36 V i 60 V są wytwarzane przez kolejne połączenia poszczególnych komórek, ponieważ maksymalne napięcie w jednej sekcji LFP nie może przekraczać 3,65 V. Dlatego wskaźniki techniczne każdej baterii mogą znacznie Różnią się od siebie – wszystko zależy od montażu i konkretnego składu chemicznego.

Do analizy charakterystyk technicznych podajemy wartości nominalne jednej pojedynczej komórki.

Najlepsza realizacja możliwości każdej poszczególnej komórki osiągnięto w akumulatorze Everexceed. Baterie litowo-fosforanowe mają długą żywotność. Łącznie są w stanie wytrzymać do 4000 cykli ładowania i rozładowania, przy czym strata pojemności wynosi do 20%, a rezerwę energii uzupełnia się w ciągu 12 minut. Biorąc pod uwagę to, można stwierdzić, że baterie Everexceed należą do najlepszych przedstawicieli elementów LFP.

Zalety i wady

Główną zaletą, która korzystnie wyróżnia baterię litowo-żelazowo-fosforanową wśród innych przedstawicieli baterii, jest długowieczność. Taki element może wytrzymać ponad 3000 cykli ładowania, gdy poziom energii elektrycznej spadnie do 30%, a ponad 2 tys. – przy spadku do 20%. Dzięki temu średnia żywotność baterii wynosi około 7 lat.

Stabilny prąd ładowania jest drugą ważną zaletą elementów LFP. Napięcie wyjściowe pozostaje w stanie 3,2 V dopóki ładunek nie zostanie całkowicie wyczerpany. Pozwala to uprościć schemat połączeń, eliminując potrzebę stosowania regulatorów napięcia.

Ich trzecią zaletą jest wyższy prąd szczytowy. Ta właściwość baterii pozwala im wydobyć maksymalną moc nawet w bardzo niskich temperaturach. Ta cecha skłoniła producentów samochodów do używania baterii litowo-żelazowo-fosforanowej jako głównego źródła energii podczas uruchamiania silników benzynowych i diesla.

Oprócz wszystkich zalet, akumulatory LiFePO4 mają jedną wadę – dużą masę i rozmiar. Ogranicza to ich wykorzystanie w niektórych typach urządzeń i sprzęcie elektrycznym.

Cechy obsługi

Jeśli kupujesz gotowe baterie litowo-fosforanowe, nie będziesz miał problemów z konserwacją i działaniem. Wszystko dzięki temu, że producenci budują takie elementy kart BMS, które nie pozwalają na przeładowanie i nie pozwalają na wyładunek elementu na możliwie najniższy poziom.

Ale jeśli dostajesz pojedyncze komórki (na przykład baterie palcowe), musisz sam monitorować poziom naładowania. Jeśli ładunek spada poniżej poziomu krytycznego (poniżej 2,00 V), pojemność również spadnie szybko, co uniemożliwi ładowanie komórek. Jeśli przeciwnie, pozwolisz na ładowanie (powyżej 3,75 V), komórka po prostu puchnie z powodu uwolnionych gazów.

Jeśli używasz podobnej baterii do samochodu elektrycznego, to po 100% ładowaniu musisz odłączyć ładowarkę. W przeciwnym razie akumulator będzie pęcznieć z powodu nadmiernego prądu.

Zasady działania

Jeśli planujesz używać baterii litowo-fosforowych w trybie cyklicznym, ale w trybie buforowym, na przykład w zasilaczu UPS lub w połączeniu z baterią słoneczną, musisz zadbać o obniżenie poziomu naładowania do 3,40-3,45 V. Aby sprostać To zadanie jest wspomagane przez "inteligentne" ładowarki, które w trybie automatycznym najpierw całkowicie wypełniają rezerwę energii, a następnie obniżają poziom napięcia.

Podczas pracy należy monitorować wagę komórek lub używać specjalnych kart wyważających (w akumulatorze samochodu elektrycznego, w którym są już wbudowane). Nierównowaga komórek jest stanem, gdy całkowite napięcie urządzenia pozostaje na poziomie nominalnym, ale napięcie komórek staje się odmienne.

Podobne zjawisko występuje z powodu różnicy w oporach poszczególnych sekcji, słabego kontaktu między nimi. Jeśli komórki mają różne napięcia, są nierównomiernie naładowane i rozładowane, co znacznie zmniejsza żywotność baterii.

Uruchomienie baterii

Przed użyciem akumulatorów litowo-fosforowych w oddzielnych komórkach należy zachować ostrożność w celu zrównoważenia systemu, ponieważ odcinki mogą mieć różne poziomy ładowania. W tym celu wszystkie elementy są połączone równolegle i podłącz do prostownika, ładowarki. Podłączone komórki muszą być naładowane do 3,6 V.

Korzystając z akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego na rowerze elektrycznym prawdopodobnie zauważyłeś, że w pierwszych minutach pracy akumulator wydobywa maksymalną moc, a następnie ładunek szybko spada do poziomu 3,3-3,0 V. Nie należy się bać, ponieważ jest to normalna praca akumulatora . Faktem jest, że jego główna zdolność produkcyjna (około 90%) leży dokładnie w tym zakresie.

Wnioski

Wydajność baterii litowo-fosforanowych jest o 20-30% wyższa niż akumulatorów innych baterii. W tym przypadku służą 2-3 lat dłużej niż inne źródła energii elektrycznej, a także zapewniają stabilny prąd przez cały okres eksploatacji. Wszystko to podkreśla prezentowane elementy w korzystnym świetle.

Jednak większość ludzi zignoruje baterie litowo-żelazowo-fosforanowe. Zalety i wady akumulatora są wygaszone przed ich ceną – jest 5-6 razy większa niż w przypadku kwasów ołowiowych, które są dla nas regularne. Ta bateria do samochodu kosztuje średnio około 26 tysięcy rubli.