В качестве энергоносителей для транспортных средств с электромоторами, электронных приборов и других потребителей, работающих в автономном режиме, используются АБ разного типа состава. С каждым годом технологии производства аккумуляторных батарей усовершенствуются, а на смену устаревшим стандартам приходят новые революционные решения. Среди них – литий-железо-фосфатные элементы. Впервые о таком типе АБ стали говорить еще в 2003 году. С этого момента и до сегодняшнего дня литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) остаются вне конкуренции по ряду характеристик.
Преимущества и недостатки LiFePO4
Разбираясь, как устроены литий-железо-фосфатные аккумуляторы, что это такое и какие у них есть плюсы и минусы, необходимо обратить внимание на материал катода. В его качестве используется литий-фосфат-железо, в то время как анод выполнен из углерода, как у обычных литиевых компонентов. Но в сравнении с другими типами аккумуляторных батарей LiFePO4 обладают улучшенной термической и химической стабильностью. Также им свойственны следующие достоинства:
- высокий уровень безопасности эксплуатации – подобные элементы надежно защищены от взрывов и воспламенений, причем даже при возможной разгерметизации;
- отсутствие вредных выделений при работе и разложении, что существенно упрощает процесс их утилизации;
- неуязвимость к лавинообразному разрушению при возможном перегреве;
- способность выдерживать пиковый разрядный ток до 25C;
- большой рабочий ресурс – за счет характерного устройства LiFePO4 аккумуляторов они рассчитаны на долговечную эксплуатацию, а срок службы достигает от 3 000 до 5 000 рабочих циклов со снижением емкости не более чем на 20 %;
- совместимость с высокоточным оборудованием, чувствительным к отклонениям от требуемых параметров тока;
- низкий саморазряд;
- стабильная работа в температурном диапазоне от -30 °С до +50 °С, чем превосходят традиционные типы АБ;
- отсутствие выраженного эффекта памяти;
- сохранение стабильного напряжения при разряде;
- всего лишь на 14 % меньшая плотность энергии в сравнении с литий-ионным стандартом;
- возможность быстрой зарядки посредством высоких токов;
- меньшая уязвимость к эффекту старения – снижение рабочей емкости у ячеек литий-железо-фосфатных элементов происходит со скоростью 1,5 % в год, тогда как прочие Li-ion энергоносители имеют степень износа до 10 % за идентичный период.
Что касается отрицательных сторон технологии LiFePO4, то они связаны с невысоким номинальным напряжением (3–3,3 В), меньшей энергоемкостью и уязвимостью к разрушению во влажной среде. Взаимодействуя с влагой, активный литий подвергается улетучиванию, за счет чего плотность электроэнергии стремительно снижается.
Принцип работы
Разобравшись с преимуществами и недостатками литий-железо-фосфатных аккумуляторов, следует перейти к обзору принципа их действия. Он основан на взаимодействии литий-феррофосфата как катода и углерода как анода по схеме: LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6. Электрический заряд переносит литиевые ионы, а при разряде элемента они интегрируются в кристаллическое строение анода, отдавая накопленную энергию. Таким образом происходят окислительные процессы. Восстановление заряда осуществляется при перемещении ионов лития от анода к катоду.
График разряда
Представители такой группы аккумуляторных батарей обладают плоскими кривыми разряда и заряда. Характерная кривая LiFePO4 обладает значительным участком с минимальным изменением напряжения. Также здесь есть гистерезис, то есть зависимость от внешних условий, что усложняет оценку текущего уровня заряда ячеек. Проблема решается посредством использования особого алгоритма, основанного на оценке напряжения путем интегрирования токов. Схожая кривая разряда-заряда есть у накопителей со следующим химическим составом: iFeSO4F.
Сферы применения
За счет отличительных эксплуатационных характеристик литий-железо-фосфатные АБ нашли применение в различных сферах человеческой деятельности. Среди них:
- Электроснабжение моторов лодочной техники, мопедов, мотоциклов, скутеров, велосипедов, электромобилей и прочих транспортных средств на электротяге.
- Оснащение подъемников, штабелеров, погрузчиков, промышленных пылесосов, поломоечного оборудования, газонокосилок и прочей техники с электромоторами на борту.
- Организация буферного накопителя энергии в системах альтернативного электроснабжения – при обустройстве системы извлечения электричества из восстанавливаемых источников (ветрогенераторы, солнечные панели и т. д.).
Также LFP устройства востребованы в качестве неотъемлемого звена в домашних источниках бесперебойного питания и гибридных генераторов.
Специфика зарядки
Чтобы избежать преждевременного износа аккумуляторных батарей, нужно учитывать специфику зарядки элементов LiFePO4. Зная, как заряжать такие АБ, можно существенно продлить срок их службы и предотвратить быстрый износ. Правильный процесс зарядки состоит из двух технологических этапов:
- Подача постоянного тока до получения требуемого напряжения.
- Подача постоянного напряжения до минимальной величины заряда по принципу CC/CV.
Для качественной и быстрой зарядки АБ с литий-железо-фосфатными элементами целесообразно использовать «умные» зарядные устройства с контроллерами и автоматическим подбором требуемого для LiFePO4 напряжения, силы тока и прочих рабочих параметров. Оптимальное напряжение заряда составляет 3,6–3,65 В на каждую ячейку.
Хранение и утилизация
Перед отправкой LiFePO4 АБ на длительное хранение важно зарядить их до уровня 40–60 %, чтобы избежать существенного разряда и снижения емкости. Источники питания лучше держать в местах с температурным диапазоном от +5 до +30 °С в сухом месте, как можно дальше от источников тепла и прямых лучей солнца. Энергоносители, выработавшие свой ресурс, следует отправить на утилизацию в специальные пункты приема.
