Аккумуляторы LiFePO4 (обозначают «LFP») — тип перезаряжаемой литий-ионной батареи, в которой в качестве основного компонента используется катод из фосфата лития-железа (материал структурирован в нанометровом диапазоне) и анод из графита с металлической подложкой.
Узнайте далее, что делает технологию LFP идеальным выбором для электротранспорта, систем хранения энергии и промышленных устройств, невзирая на все недостатки.
Почему стали так популярны литий-железо-фосфатные батареи?
LiFePO4 обретают всё большую популярность на фоне снижения стоимости [свежий источник BusinessWire]. Отрасль переживает сейчас эпоху увеличения массового производства компонентов [свежий источник The Greater Binghamton Business Journal] для сборки готовых батарей.
Литий-железо-фосфатные батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными электрохимическими системами вроде свинцово-кислотной и никель-кадмиевой:
- • выше плотность энергии,
- • дольше служат,
- • практически отсутствующий саморазряд
- • и одни из лучших показатели безопасности.
Наивысший интерес к технологии проявляют автоконцерны Ford, Volkswagen и Tesla. Чтобы создать менее дорогие электромобили с увеличенным до 10 лет сроком службы аккумуляторов, они отказываются от NMC-химии.
Цена и надёжность LiFePO4 подходят для этих целей значительно лучше, чем у обычных Li-ion-ячеек. Но у этой перемены есть недостаток — страдает дальность хода. LFP вмещают энергии значительно ниже, чем распространённые кобальтовые (LCO) или никель-марганцевые (NMC) элементы Li-ion при сравнимых размерах.
Откуда взяли аккумуляторы LiFePO4?
Технология литий-железо-фосфатного аккумулятора появилась благодаря усилиям Джона Б. Гуденафа и Арумугама Мантирама (подробнее). Они были одними из первых, кто определил применение материалов в литий-ионных батареях.
Одно из важнейших ограничений Li-ion — их анодные материалы не идеальны из-за стремления к короткому замыканию так быстро, как это только возможно.
Учёные сделали открытие, благодаря которому стало возможно изменять стабильность и проводимость литий-ионной батареи изменением поверхностных материалов катода. Воздействуя на катод, можно улучшать (и ухудшать) множество свойств аккумулятора.
Так, при открытии возможности сделать катод из LiFePO4, был увеличен срок службы ячейки, существенно изменено её стремление уйти в короткое замыкание (то есть поднять степень безопасности). Ещё получилось избавиться от дорогостоящего кобальта, который, правда, обеспечивает одну из лучших энергоёмкостей в электрохимической отрасли (получаются всегда меньшей ёмкости, чем аккумулятор в смартфоне или ноутбуке при тех же размерах).
Что внутри батарей LiFePO4?
Сами по себе аккумуляторы типа LFP представляют собой ячейки различных форм (какие они вообще бывают, рассказывали в нашей статье). Изготовлены из литий-железо-фосфатного материала, который не токсичен и не наносит вреда окружающей среде.
Ячейки LFP собирают в батареи для получения нужного напряжения и ёмкости под спецификации приложения, где их планируется эксплуатировать (электромобиль, электросамокат, источник бесперебойного питания или даже просто фонарик). Сборка выполняется путём точечной сварки и дооснащения системой управления (BMS, Battery Management System).
Cистема BMS гарантирует, что батарея остается в безопасных пределах напряжения и тока. Она фактически защищает, контролирует и управляет батареей в эксплуатационных рамках. Благодаря ей вы можете быть уверены, что устройство безопасно, и срок службы состоится таким большим, насколько это возможно.
Безопасность литий-железо-фосфатных батарей
Аккумуляторы LiFePO4 считаются безопасными, поскольку они имеют наименьшую вероятность теплового разгона и возгорания. Низкое рабочее напряжение приводит к меньшему внутреннему сопротивлению и повышенной скорости заряда/разряда. Их химический состав более стабилен, чем другие ионно-литиевые химические вещества, что снижает вероятность их взрыва или выделения вредных газов в случае повреждения (например, в результате ДТП или пожара).
Поскольку LFP-элементы предлагают более длительный срок службы, чем другие литий-ионные элементы, их предпочитают выбирать как более безопасный вариант там, где требуется длительное хранение (те же источники бесперебойного питания или накопители солнечной энергии).
Элементы LiFePO4 лучше выдерживают различные режимы работы и нагрузки, чем распространённые кобальтовые или никель-марганцевые литий-ионные ячейки. Однако они всё равно склонны к перенапряжению при зарядке. Более того, у них строже ограничение верхних пределов напряжения, чем у обычных Li-ion — 3,65 В максимально против 4,25 В (мы не говорим уже про LiHV, где могут быть все 4,4 В).
Такая ситуация снижает производительность и ёмкость LiFePO4. Если отклониться от этого ограничения и всё равно зарядить LFP-ячейку до 4,2 В вместо 3,65 В, то материал, используемый для катода, потенциально может испортиться и потерять свою стабильность. BMS регулирует выходную мощность каждой ячейки и обеспечивает поддержание максимального напряжения батареи, чтобы ничего подобного не произошло.
Материалы электродов ухудшаются по различным причинам, включая старение. Это факт.
И поскольку литий-ионная технология «не любит» напряжение ниже 3 В (почему), то хранение LiFePO4 разряженным становится серьёзной проблемой на старых ячейках. Если напряжение какой-либо ячейки падает ниже определенного порога (обычно 2,5 В), то BMS отключает аккумулятор от цепи во имя безопасности. Он ещё и служит в качестве ограничителя обратного хода в условиях перегрузки по току и размыкает цепь во время короткого замыкания.
Частые вопросы по LiFePO4-аккумуляторам
Некоторые люди могут искать информацию о том, как использовать LFP в своих проектах, в то время как другим может быть интересно, является ли LFP хорошим подспорьем в выборе уже готовой электроники. Какой бы ни была причина, всегда полезно узнать ответы на распространённые вопросы, прежде чем принимать какие-либо решения о технологии аккумуляторов.
В: «Насколько LiFePO4 дольше служат в сравнении со смартфонными Li-ion и Li-Polymer?»
Обычные литий-ионные батареи на кобальтовом катоде (как в мобильных гаджетах) обеспечивают в среднем 500-1000 циклов заряд-разряд. Этого хватает в ёмкостях до 5000 мА·ч при напряжении 3,7В на примерно 4 года службы, если производитель побеспокоился о щадящих параметрах глубины заряда (DoD), когда диапазон не превышает 90%.
В том же режиме литий-железо-фосфатные батареи прослужат 4500-5000 циклов заряд-разряд. С учётом того, что их не применяют в мобильной электронике, а используют в больших устройствах вроде ИБП или электромобилях, то глубину заряда производители могут закладывать менее 60% (как в электромобилях, например), что ещё больше увеличит срок службы вплоть до 10000 циклов.
В: «Почему LiFePO4 не используют в смартфонах, раз они так долго служат?»
LiFePO4 не используется в смартфонах, потому что не так эффективны в сравнении с литий-кобальтовыми в плане вместимости электрической энергии. Да, это приводит к сокращению общего срока службы батареи до 2-4 лет (зависит от интенсивности эксплуатации). Однако производители мобильных гаджетов закладывают именно такой же срок службы в само изделие, после чего предполагается его замена на новый более современный продукт.
В: «Скажите просто — LiFePO4 или Li-ion, что лучше?»
LiFePO4 — это и есть Li-ion, как один из типов её электрохимических систем. Часто имеется ввиду под «Li-ion» в контексте сравнения с LiFePO4 системы кобальтового и никелевого катодов.
В таком случае нет однозначного ответа, что из них универсально лучше. То же касается и вопроса, что лучше — литий-титанат или железо-фосфат. У всех вариантов есть преимущества и недостатки, которые применимы в разных приложениях. Существует очень удобная таблица со сравнениями, из которой вы сможете сделать собственные выводы.
В: «Насколько LiFePO4 дешевле?»
В сравнении с традиционными системами хранения энергии на основе свинцово-кислотных АКБ, экономическая модель литий-железо-фосфатных батарей гораздо эффективнее (совокупность факторов: цена + срок службы + обслуживание + содержание + принципы заряда). Подробнее об этом была статья на Habr.com [источник], в которой приведены формулы и расчёты для источников бесперебойного питания. Нужно учитывать и реалии 2022-го года, когда свинцово-кислотные аккумуляторы выросли в цене.
В сравнении с 3,7-вольтовыми электрохимическими системами NMC (электромобили) и LCO (мобильная электроника) требуется больше 3,2-вольтовых ячеек LFP для получения той же ёмкости. При закупке элементов это дороже (менее выгодно). Но при длительной эксплуатации затраты окупаются в определённой точке расчётов, когда NMC и LCO изнашиваются (стареют и теряют ёмкость), а LFP продолжают работать.
В: «Чем LiFePO4 лучше свинцово-кислотных АКБ?»
Свинцово-кислотные аккумуляторы дешевле, но их нужно регулярно менять для сохранения ёмкости, поддерживать в заряженном состоянии, следить за температурой, иначе они быстро износятся. То есть их дороже обслуживать при длительной эксплуатации. Аккумулятор LiFePO4 прослужит в 2-4 раза дольше без какого-либо обслуживания вовсе.
В: «Чем LiFePO4 лучше гелевых АКБ?»
Гелевые аккумуляторы при относительно высокой стоимости требуют регулярной и правильной зарядки, они должны быть отключены, как только полностью заряжены, чтобы избежать разрушения. Для LiFePO4 это всё не требуется, а ещё больше вмещают энергии и лучше справляются с пиковыми нагрузками.
В: «Чем LiFePO4 лучше аккумуляторов AGM?»
При разряде до 50% и ниже AGM-батарея безвозвратно теряет ёмкость, за чем сложно уследить, так как у них высокий саморазряд. У LFP-ячеек ёмкость сохраняется при полном разряде без риска повреждения, саморазряд при этом один из самых низких в электрохимических системах.
В: «Где выгоднее всего использовать LiFePO4?»
- • Водный транспорт (от рыболовных катеров и парусных лодок до байдарок);
- • мобильный электротранспорт (от электросамокатов и сигвеев до электромотоциклов);
- • солнечные панели и ветряки (хранение и запас энергии);
- • источники бесперебойного питания;
- • промышленность (роботы, инструменты, погрузчики, подъёмники);
- • медицинское оборудование;
- • фонарики;
- • электронные сигареты;
- • аварийное освещение;
- • радиооборудование и так далее.
Узнайте преимущества LFP при переходе с NiMH-химии (заменой элементов) — подробности.
В: «Когда-нибудь литий-железо-фосфатные батареи получат ёмкость, как у смартфонных кобальтовых?»
Похоже, что так. В настоящий момент LFP-ячейки имеют ёмкость до 75% от технологии LCO и NMC. Но уже в 2022-м году Китай (как доминирующий поставщик ячеек этого типа) предлагает разработки для повышения плотности энергии под 359 Вт·ч/л — 143% к традиционным системам [источник]. Коммерческих продуктов с такой плотностью пока нет, но очевидно в будущем LiFePO4 приблизятся по ёмкости к Li-ion в смартфонах и электромобилях прошлых лет.
***
Для вашего проекта требуется аккумулятор LiFePO4? Воспользуйтесь нашим российским производством Neovolt! Мы изготавливаем литий-железо-фосфатные батареи на заказ за 2-7 дней по описанию, фото или техническому заданию от одной штуки до бесконечности.
