Особенности LiFePO4 аккумуляторов
Введение
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы - это вид литиевых аккумуляторов, по устройству очень похожих на обычные литий-ионные элементы, однако катод у них выполнен из литированного фосфата железа или литий-железа фосфата (LiFePO4, отсюда и сокращение - LFP). Этот материал имеет структуру оливина - распространённого в природе минерала, встречающегося от мантии Земли до космических метеоритов, поэтому он является безопасным для окружающей среды и человека.
История данного типа аккумуляторов началась относительно недавно - только в 1996 году американских профессор из Техаса по имени Джон Гуденаф впервые открыл литий-железо-фосфат для использования в качестве катодного материала. Это была интересная альтернатива дорогому и токсичному кобальту, имевшая, однако, свои недостатки. Главный нюанс заключался в меньшей ёмкости по сравнению с предшественником.
Несмотря на более доступную цену, безопасность и стабильность соединения, заниматься развитием LFP стали далеко не сразу. Спустя целых 7 лет после открытия, китайская компания A123 Systems, разочаровавшись в одном из своих исследований, взялась за разработку литий-железо-фосфатных источников тока. Им также удалось привлечь крупных инвесторов: Motorola, Qualcomm и Sequoia Capital.
С тех пор литий-железо-фосфатные аккумуляторы получили широкое распространение в качестве надёжного и низкотоксичного элемента питания для электротранспорта (наземного и водного), альтернативных источников энергии (ветрогенераторов и солнечных батарей), складской техники, электроинструментов, источников бесперебойного питания, медицинского оборудования и много чего ещё. В чём секрет успеха и о чём нужно помнить владельцу такого аккумулятора?
Особенности
Химический состав LFP аккумулятора термически и химически устойчив - это значит, что он намного меньше склонен к перегреву, самовозгоранию, взрывам и прочим неприятностям, чем его кобальтовые и марганцевые собратья. По сравнению с ними, железо-фосфатный элемент имеет более низкое рабочее напряжение: 3.2V против 3.6-3.7V соответственно. От этого, конечно, несколько страдает производительность, зато литий-железо-фосфатные аккумуляторы сохраняют первоначальную плотность энергии намного дольше.
Средняя продолжительность жизни до потери ёмкости - от 2 до 5 тыс циклов заряда-разряда, а общая - до 10 тыс. При том, что стандартные показатели Li-Ion аккумуляторов колеблются в пределах 500-1000 циклов. Срок службы LFP составляет от 3 до 20 лет при правильном использовании. В чём же оно заключается и как продлить срок службы такому аккумулятору?
Литий-железо-фосфатные источники тока имеют стабильное напряжение на выходе - при разрядке оно будет составлять 3.2V, что очень удобно для создания аккумуляторных батарей с последовательным соединением для питания мощных устройств. Несмотря на это, такие элементы всё же чувствительны к обратному процессу - заряду. Их максимум - это 3.65V в отличие от 4.25V для кобальтовых и марганцевых аккумуляторов.
Несоблюдение установленных производителем показателей никогда не приводит к хорошим последствиям, и в этом случае катодный материал аккумулятора рискует потерять свои свойства и пригодность в целом. Чтобы таких ситуаций не происходило, используется BMS со встроенной функцией балансировки (эта система не только контролирует напряжение на входе и выходе, но и защищает аккумулятор от опасных сбоев, подробнее можно почитать здесь).
LFP не теряют ёмкости при полной разрядке и хорошо подходят для долгого хранения энергии, однако для достижения максимальной продолжительности службы рекомендуется хранить их в сухом помещении, при температуре +15 +18°C с постоянным зарядом 50-60%. Так можно снизить и без того низкий саморазряд и сильно замедлить “старение” электродных материалов.
Данный тип аккумуляторов подходит для использования в суровых условиях - это касается как температуры, так и высокой нагрузки.
В отличие от других ячеек, теряющих работоспособность при -10°C, LFP выдерживают от -30 до + 55°C при работе и от -40 до +60°C при хранении. Они хорошо справляются с пиковыми нагрузками, а в случае экстремальных ситуаций (при перегреве или поломке) не выделяют токсичных газов в атмосферу.
В целом, литий-железо-фосфатные аккумуляторы не требуют особых условий обслуживания - особенно если вы используете систему контроля. Необходимо лишь помнить о простых правилах безопасности и соблюдать условия эксплуатации.
Подведём итоги
Если говорить о безопасных и долговечных источниках тока, то литий-железо-фосфатные элементы - это условная “золотая середина” между ценой и качеством. Это достаточно недорогие, стабильные, безопасные и надёжные аккумуляторы, которые подходят для работы совершенно разных устройств в совершенно разных условиях: от электросамоката до Теслы, от парусных лодок до марсоходов, от фонариков до сложного медоборудования. Это также хороший вариант “про запас”.
Конечно, есть и свои недостатки - в первую очередь это не очень высокая ёмкость (в этом отношении выигрывает кобальт), которая, к тому же, способна снижаться при рабочем напряжении ниже 2.5V. Во вторую, но не менее важную - максимальный предел напряжения в 3.65V, за которым вас ждёт поломка и потеря вышеописанных замечательных свойств.
Пусть LiFePO4 аккумуляторы не получили должного признания сразу, зато теперь они - незаменимые помощники в быту и в различных отраслях науки и промышленности, внёсшие огромный вклад в развитие новых технологий.