Меню

Лиферные аккумуляторы что это такое

Лиферные аккумуляторы что это такое

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах — На токе

  • Статьи об электротранспорте
  • Технологии
  • Аккумуляторы
  • Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

На рынке сегодня присутствует не малое количество разновидностей литиевых накопителей электроэнергии, и особое место среди них занимает литий-железо-фосфатное (LiFePO4 или LFP) исполнение. Чем оно выгодно отличается от «соплеменников» и каковы его особенности? Вот именно об этом мы будем говорить в данной теме.

Содержание:

  • История появления.
  • Преимущества LiFePO4 электронакопителей.
  • Сравнение LiFePO4 и Li-ion — что лучше?
  • Применение LFP аккумуляторов.
  • Как правильно эксплуатировать LFP батареи.
  • Правила хранения и утилизации LiFePo4.

История появления

john-goodenough-1200x675.jpg

Итак, LiFePO4 был открыт давненько, в 1996-ом году, профессором Техасского университета Джоном Гуденафом. Материал играл роль катода для обычного Li-ion накопителя. Отличался LFP тем, что по сравнению с традиционными литий-кобальтовыми источниками энергии, имел значительное преимущество в цене, был менее токсичным и более термоустойчивым. Однако у LiFePO4 имел место и один значимый недостаток — меньшая ёмкость.

57november.jpg

До 2003-го года разработка практически не продвигалась вперёд, пока она не попала в руки специалистов представляющих фирму A123 Systems. Кроме того, серьёзный толчок делу дали такие инвесторы как Motorola, Qualcomm и Sequoia Capital, благодаря которым технология была доведена до ума.

Первая промышленная партия изделий была выпущена в 2006-ом году и с тех пор, LFP позиционируются как лучшие из силовых электронакопителей.

LiFePO4 обходят конкурентов по таким параметрам:

1. Улучшенные характеристики.

2. Более высокий показатель КПД.

3. Повышенный уровень безопасности.

LiFePO4 предлагают пользователю более продолжительный срок службы, по сравнению со своими Li-ion собратьями. Применение фосфатов даёт возможность избежать расхода кобальта и связанных с этим экологических проблем.

Что мы имеем по техническим характеристикам LiFePO4?

Номинальное напряжение LFP — 3,0-3,3 V, нижний порог напряжения — 2 V. Полностью заряженный накопитель выдаёт 3,6-вольтовое напряжение. Аппаратура может функционировать в диапазоне -30. +60, что является весьма приемлемым результатом для сторонников круглогодичной эксплуатации индивидуального электрического транспорта.

Время зарядки LFP-батареи — 4 часа. Масса аккумулятора с характерстиками 36 V 12 Ah – 5,5 килограмма, разрядной ток — до 35 A, мощность — до 1260 Ватт, пиковая — 2160 Ватт.

Что нам предлагает ближайший конкурент LFP, традиционный Li-ion?

Номинальное напряжение тут уже повыше — 3,6-3,75 V. Нижний порог напряжения — 3 V, а для ёмких Li-ion АКБ нижний показатель — 2,5 V. Полностью заряженный агрегат выдаёт 4,25 V, у более ёмких батареек — 4,35 V. Работают при температуре -20. +60 градусов, но тут нужно учесть, что оптимальный температурный режим для литий-ионного источника энергии — +20. +25 градусов.

Время зарядки Li-ion батареи — 8 часов. Масса аккумулятора с характеристиками 36 V 12 Ah – 3 килограмма, разрядный ток — до 12 A, выдаваемая мощность — до 432 Ватт, пиковая — 864 Ватта.

Преимущества LiFePO4 электронакопителей

scat-i-battery-12-7-1.png

Скорее всего, вас не вдохновит показатель напряжения LiFePO4, но не стоит из-за этого сбрасывать данную разновидность литиевых источников питания со счетов. У них есть ряд преимуществ, которые могут заинтересовать очень многих юзеров.

1. В таких АКБ разработчики используют структуру оливина, высокотемпературного материала, который способен выдерживать температуру до 1900 градусов.

2. Продолжительный срок эксплуатации. Такая аппаратура может выдержать от двух до семи тысяч циклов. При этом, ёмкость снизится всего на 20%. А вот обычный литий-ион столько не потянет: его потенциал 500-1000 циклов разряда/заряда.

3. Срок хранения. По этому параметру LFP изделия также долгоиграющими являются. Хранить их можно 12-15 лет, а вот Li-ion — всего 3-5 лет, потом начинается деградация.

4. Повышенная плотность энергии и стойкость к низким температурным режимам. К примеру LiFePO4 модели ANR26650M1-B от A123 Systems, может работать при заявленном производителем температурном диапазоне -30. +55 градусов, а хранить её можно при -40. +60 градусах. У литий-ионной продукции просадки составляют порядка 3-4 V при нагрузке, а ёмкость снижается в два-три раза при минусовой температуре окружающей среды.

5. Устойчивость к переразряду. Если напряжение преодолеет допустимое значение, LFP грозят лишь несущественные повреждения, при которых девайс сохранит свою работоспособность. А вот Li-ion, при критическом уровне напряжения, становится весьма опасным предметом — происходит разгерметизация из-за которой в атмосферу выбрасывается литий. В этом случае вполне можно ожидать взрыва!

6. LFP не загораются при повреждении компонентов. Они в такой ситуации будут только нагреваться и испускать дым. Li-ion же при повреждении взрываются и могут напугать юзера появлением яркого пламени.

7. 3,2-вольтовое постоянное напряжение на выходе, даёт возможность соединить последовательно две пары аккумуляторов, для получения 12,8-вольтового номинального напряжения на выходе. Это приближено к напряжению свинцово-кислотных АКБ (SLA) с 6-ю ячейками. Данное обстоятельство, параллельно с достойной безопасностью источников питания LFP, делает их отличной возможной заменой SLA во многих отраслях. К примеру, автомобильная промышленность и солнечная энергетика. Тут возможно применение 3,2-вольтовых накопителей стандартного типоразмера 14500/10440, вместо пары гальванических элементов либо АКБ типоразмеров АА/ААА 1,5 V. Для это применяется один LFP электронакопитель, а на место второго компонента устанавливается вставка-проводник с идентичными размерами.

8. Если сравнивать LFP-батареи с другими литиевыми исполнениями, то они обладают довольно стабильным разрядным напряжением. На выходе напряжение остаётся близко к 3,2 V во время разряда, пока энергия аккумуляторной батареи не иссякнет на сто процентов. Это может существенно упростить корректировку напряжения в цепях или даже исключить надобность в ней.

9. LFP источники питания, обладают пониженной скоростью разряда, по сравнению с Li-ion и SLA электронакопителями.

10. LiFePO4 батареи можно встретить в формате 18650, что очень удобно. Это даёт возможность пользователям собрать источник питания практически любой формы, разместив компоненты наиболее удобным способом. Однако при одном и том же напряжении, LFP изделия будут несколько тяжелее и больше по размерам, поскольку в распоряжении ячеек разное номинальное напряжение.

11. Упрощённая система управления батареей и не сложное зарядное устройство. Большой допуск перезаряда и характеристика самобалансировки LFP-батареи, дают возможность упростить защиту аккумулятора и сбалансировать печатные платы, снизив их себестоимость. Одноступенчатый процесс зарядки позволяет применять более простой, обыкновенный источник питания для зарядки LiFePO4, чего не скажешь о литий-ионном электронакопителе, для которого требуется сложное и дорогое зарядное оборудование.

Сравнение LiFePO4 и Li-ion — что лучше?

2739960november.jpg

Выше в теме я привёл основные характеристики этих разновидностей батарей, но, для большего понимания ситуации, стоит углубиться в подробности.

Сразу скажу: тут стоит отдать должное Li-ion источникам питания, так как именно они чаще всего становятся для потребителя оптимальным выбором.

Стоят они меньше, меньше у них и масса, а при щадящем режиме работы, Li-ion могут предложить юзеру около тысячи циклов. Однако если вам предстоит эксплуатировать индивидуальный электротранспорт в жёстких условиях, к примеру, ездить на электрифицированном велосипеде при минусовых температурах, то стоит отдать приоритет LiFePO4. Такие источники питания совмещают в себе все плюсы Li-ion, но у них отсутствуют их негативные стороны.

Пиковые токи нагрузки и заряда не наносят вреда ресурсу LFP аккумулятора. Кроме того, электронакопители такого типа имеют меньшую склонность к естественной деградации, предлагают минимальный саморазряд и весьма широкий диапазон рабочих температур. Обладателя LFP аккумулятора, порадует и то, что изделие может выдержать более 2000 циклов при утрате ёмкости на 20%. Так что, по выносливости и долговечности LFP-батареи переигрывают остальные литиевые исполнения. В то же время нужно учитывать, что LiFePO4 весят больше чем Li-ion и вдобавок они габаритнее.

В общем, суть такова: перед выбором литиевого энергонакопителя, чётко определитесь со своими приоритетами и условиями дальнейшего использования АКБ.

Применение LFP аккумуляторов

ebike-battery-48v-9ah-lithium-ion-charging.jpg

Системы автономного электроснабжения, в состав которых входят ветрогенераторы и солнечные батареи — вот где LFP активно используется как буферный накопитель. LiFePO4 оборудуется складская техника, поломоечные машины, гольфкары, водный транспорт, электрические велосипеды, электрические скутера, электрические автобусы и электромобили. LFP-накопители также обслуживают телефоны, планшеты и шуруповёрты.

Как правильно эксплуатировать LFP батареи

Не превышайте дозволенные параметры

Любые Li-ion электронакопители, в том числе и новые LFP изделия, довольно быстро вырабатывают свой ресурс, если разряжать их по максимуму либо длительное время удерживать на зарядке. В том случае, если источник энергии часто разряжается ниже допустимого предела, он начнёт утрачивать в ёмкости и по прошествии некоторого времени, электронакопитель будет разряжаться в ускоренном темпе. Также, от перезарядки может случиться такое недоразумение как вздутие девайса, по причине того, что внутри ячеек скапливается газ, а итогом является неприятный всем выход из строя.

Для продления срока эксплуатации LiFePO4, заряжать его рекомендуются до 3,65 V (пик 3,7 V), а разряжать не ниже показателя 2,5 V (пик 2 V).

Применяйте систему управления батареей (BMS)

Аккумуляторные батареи мобильных устройств и электрокаров, как правило, заряжаются на 100%, а затем сразу идут в работу. Однако если не отключить зарядную аппаратуру после полной «заправки», электронакопитель разбухнет и откажется продолжать дальнейшую работу. Думаете нужно в обязательном порядке тщательно следить за напряжением АКБ, чтобы она не разряжалась до минимального значения и не достигала излишнего заряда? Реально, делать это необязательно — разработчики давно решили данную проблему! Они начали ставить на каждую аккумуляторную батарею специальную защитную плату, так называемую BMS. Деталь контролирует показатели источника электроэнергии, от которого заряжается LiFePO4. Она полностью отвечает за зарядку/разрядку АКБ.

Если LFP-батарея начнёт подвергаться зарядке сверх нормы, BMS организует равномерное распределение нагрузки по ячейкам. Если электронакопитель разрядится в значительной степени, контрольная плата прекратит подачу электроэнергии потребителям.

561fe621-ef14-11e9-872b-525400e33e22-e70e9925-ef14-11e9-872b-525400e33e22.png

Если вы приобретаете не целую батарею, а только ячейки и игнорируете внедрение BMS, то распределение напряжения при зарядке АКБ будет неравномерным. К примеру, в вашем распоряжении аккумуляторная батарея состоящая из двух пар ячеек LFP. По ходу дела три ячейки достигают примерно одинакового уровня заряда, где-то на 3,5 V. А вот четвёртая ячейка по заряду выходит значительно выше — 4,25 V. Чем чревата такая разность? Тем, что четвёртая ячейка начнёт заряжаться сверх допустимого и даст сбой. При этом, общее напряжение при зарядке остаётся в пределах дозволенных значений.

Читайте также:  Как собрать аккумулятор для электровелосипеда своими руками

Может случиться так, что установить BMS по каким либо причинам будет невозможно и возникает вопрос — а что делать в этом случае? Поставьте хотя бы балансировочные платы, которые помогут удерживать напряжение сбалансированным.

Но в то же время, «балансиры» ничем не помогут накопителю энергии, если все ячейки разрядятся до критического уровня либо начнут перезаряжаться. Кроме того, если расхождение в заряде ячеек будет значительным, балансировочная деталь не будет выравнивать напряжение.

Хотите по максимуму защитить LiFePO4 электронакопитель? Лучший способ сделать это, установить плату BMS, которая будет прекрасно справляться со своими прямыми обязанностями избавляя вас при этом от лишней головной боли.

Режим работы

ps1512486749.jpg

Любую аккумуляторную батарею можно эксплуатировать в двух режимах: буферном и циклическом. Начнём с циклического режима. Вы пользуетесь мобильным устройством целый день, затем устанавливаете его на зарядку, а когда аккумулятор заряжен на сто процентов — продолжаете использовать девайс. А вот что касается буферного режима, то это когда электронакопитель постоянно подзаряжается. Буферный режим встречается в бесперебойных источниках питания. При нём напряжение аккумуляторной батареи редко снижается до критических показателей, по этой причине он проработает дольше, чем если будет функционировать в циклическом режиме.

Если хотите дополнительно продлить срок эксплуатации электронакопителя, понизьте напряжение заряда. Как правило, для LFP-батарей, это 3,40-3,45 V. Однако самый лучший вариант — свериться с теми значениями, которые рекомендует изготовитель АКБ.

Балансировка ячеек

Если вы предпочли собирать LFP-накопитель собственными силами, то перед сборкой нужно в обязательном порядке отбалансировать ячейки — 3,2-вольтовые. Ячейки не всегда являются заряженными в одинаковой степени, поэтому перед применением устройства, его рекомендуется предварительно отбалансировать. Для этого потребуется параллельно соединить каждую ячейку: «+» с «+» и «-» с «-» каждой ячейки. После состыковки зарядите ячейки до 3,65 V.

Если одна либо несколько ячеек продемонстрируют разность сопротивлений, в процессе балансировки будет происходить выравнивание напряжений между компонентами.

Для сбережения ресурса LiFePo4 важно:

1. Применять специальные ЗУ, которые предназначены для аккумуляторов LFP с обозначением конечного напряжения. Зарядки для литиевых АКБ других типов, для LiFePo4 изделий не годятся, так как у LFP более низкое рабочее напряжение.

2. Не следует оставлять источник энергии разряженным. Если последующий саморазряд повлечёт за собой критическое снижение напряжения хотя бы на одном элементе АКБ, это отрицательно скажется на ёмкости всего электронакопителя. Поэтому, если LiFePo4 почти разрядилась, её нужно как можно быстрее установить на зарядку и довести до номинального напряжения, а это 3,2 V на компонент.

3. Не допускайте разряда аккумулятора до его отключения посредством BMS и заряжайте гаджет после каждого применения. LiFePo4 не страдают от эффекта памяти, а полные циклы разряда будут только негативным образом сказываться на ресурсе девайса.

4. Заряжайте агрегат при температуре корпуса приближённой к комнатной. Если накопитель энергии был перед зарядкой на холоде, нужно сначала нагреть его до комнатной температуры. Для этого потребуется 4-5 часов пребывания в тёплом помещении.

5. Для зарядки LiFePo4 лучшим вариантом будут «умные» ЗУ либо контроллеры. Они обеспечивают подзарядку систем напряжением 12-14,6 V, а по прошествии 10-20 минут снижают напряжение до 13,6–13,8 V, то есть, до 3,4–3,45 V на каждый отдельный элемент.

Правила хранения и утилизации LiFePo4

13k6tau.jpeg

Перед тем как отправить LFP на продолжительное хранение, зарядите его до 40-60% и поддерживайте такой уровень на протяжении всего срока хранения. Аккумулятор следует держать в сухом месте, где температурный режим не опускается ниже комнатных показателей.

Когда ваша аккумуляторная батарея полностью отработает своё, следует обратиться в специальную организацию, занимающуюся утилизацией подобного оборудования. Если вы поступите подобным образом, то можете даже заработать на этом. Но в то же время, если вы просто выбросите источник энергии LFP на свалку, ничего страшного не будет.

Заключение

Чтобы вам легче было усвоить всю информацию изложенную в статье, я приведу далее несколько пунктов, которые нужно обязательно запомнить:

1. Следите за тем, чтобы напряжение LiFePo4 не опускалось ниже 2 V и не заходило за отметку 3,7 V. Что касается идеального диапазона, то это 2,5-3,65 V.

2. Если будете собирать батарею LFP самостоятельно, не забудьте про BMS.

3. Если используете АКБ в буферном режиме, понизьте её напряжение. Рекомендуемые параметры — 3,4-3,45 V.

4. Заряжать LFP нужно специальной зарядкой.

5. Перед самостоятельной сборкой электронакопителя, отбалансируйте ячейки, чтобы выровнять напряжение.

Основные преимущества LFP:

1. Продолжительный срок эксплуатации — 2000-7000 циклов заряда/разряда. При этом потеря ёмкости составляет 20%.

2. Срок хранения — 12-15 лет.

3. Может работать при широком диапазоне температур — -30. +60 градусов. Из этого можно сделать простой вывод: LFP хорошо подходят для использования зимой.

4. Не воспламеняется при повреждении компонентов.

5. Устойчивость к переразряду.

Естественно, не обошлось и без недостатков: это бОльшая по сравнению с Li-ion масса и себестоимость. Хотя уже можно обзавестись на Али.

Источник



LiFePO4 как замена кислотно-свинцовых аккумуляторов

На сегодняшний день самым популярным видом химических источников тока (ХИТ) все еще являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Несмотря на огромный скачек в развитии литиевых ХИТ в последнее время, если сложить всю запасенную в мире энергию (Вт*ч) в свинцовых и в литиевых аккумуляторах, то мы увидим, что «свинец» по этому показателю на порядок опережает Li-ion, LiFePO4 и LTO вместе взятые. Дело, конечно же, в низкой стоимости свинцовых АКБ.

Существуют области применения, где переплата за лучшие характеристики попросту нецелесообразна, например, стартерные аккумуляторы автомобилей. Основная задача такого аккумулятора – выдать большой ток на короткое время, а такие параметры как емкость, вес, ресурс и т.д. отходят на второй план.

Прогресс не стоит на месте, и с каждым годом, благодаря использованию новых материалов, и применению инновационных технологий производство литиевых аккумуляторов становится все дешевле, и вместе с этим область их применения значительно расширяется.

Основные преимущества LiFePO4 по сравнению со свинцово-кислотными АКБ:

  • Емкость в несколько раз больше. LiFePO4 — 190–250 Вт•ч/кг; свинцово-кислотные – 25-40 Вт•ч/кг.
  • Отдают полную ёмкость при больших токах разряда.
  • Заряжаются в 5 раз большим током по сравнению со свинцово-кислотными АКБ.
  • Не чувствительны к режимам хронического недозаряда.
  • Легче, чем свинцово-кислотные.
  • 10-кратное увеличение количества циклов по сравнению со свинцово-кислотными.
  • Длительный срок эксплуатации.

Li-ion или LiFePO4?

Почему именно LiFePO4, а не Li-ion или LTO?

LTO можно вычеркнуть сразу, области применения данного вида аккумулятора весьма специфичны, так как его стоимость все еще очень высока.

Преимущества LiFePO4 перед Li-ion можно выделить следующие:

  • Устойчивость к температурам. LiFePO4 могут работать при низких температурах — от -30°C до +55°C
  • Литий-железо-фосфатные АКБ обладают большим числом циклов заряда-разряда (до 2000 циклов) и как следствие — большим сроком службы.
  • Стабильность напряжение разряда — LiFePO4 АКБ снабжают потребитель постоянным напряжением во время разряда
  • LiFePO4 АКБ не горят, при сильном повреждении элементов — выделяется тепло и дым, но, в отличии от литий-ионных — нет пламени.

Основной недостаток LiFePO4 перед Li-ion это меньшая емкость при той же массе – примерно на 20% меньше, но это все еще в разы больше в сравнении со свинцовыми АКБ.

Благодаря сочетанию вышеописанных характеристик литий-железо-фосфатные батареи стали отличной альтернативой кислотно-свинцовым АКБ.

Области применения LiFePO4

Еще недавно, во многих областях, свинцовые батареи казались самым экономически выгодным вариантом. Но из-за снижения стоимости литий-железо-фосфатные АКБ вытесняют «свинец» большими темпами во многих местах. Рассмотрим основные сферы применения LiFePO4.

Есть 2 сценария использования АКБ в маломерных судах:

  • Батарея для питания основного электромотора на небольших лодках.
  • Батарея для питания бортовой сети и вспомогательных электромоторов на средних и крупных моторных лодках.

В случае с маленькой электромоторной лодкой преимущества

литий-железо-фосфатных АКБ особенно ярко выражены. Ключевым факторам является низкий вес батареи по сравнению со свинцом. С помощью LiFePO4 можно в несколько раз увеличить запас хода, при этом сохраняя адекватный вес и габариты батареи.

Так же важным преимуществом является возможность глубокого разряда батареи без вреда для нее. В случае со свинцовыми АКБ при ее уровне заряда на 25-30% приходится выбирать: Либо прекращать использование мотора, либо продолжить разряд батареи, тем самым подвергая ее деградации.

Каждый глубокий разряд свинцово-кислотной АКБ отнимает примерно 2-3% ее первоначальной емкости. Несложно посчитать, что после 10 таких разрядов батарея потеряет до 30% емкости.

На средних и больших лодках масса аккумуляторов уже не так важна, но вот количество циклов заряда-разряда и возможность глубокого разряда являются главными параметрами при выборе АКБ. Дело в том, что многие лодки оборудованы специальными вспомогательными электромоторами. Они помогают удерживать судно на заданной точке, а так же служат для тихого перемещения без использования основного ДВС двигателя.

При активном использовании лодки с таким вспомогательным мотором аккумуляторные батареи постоянно подвергаются зарядке и разрядке. Свинцовые АКБ с их 200 циклами кардинально не подходят под эту задачу. Конечно, идеальное решение это литий-титанат (LTO), такие аккумуляторы выдерживают фантастические 20000 циклов, но и цена у них высокая. Поэтому LiFePO4 с их 2000 циклов будет оптимальным решением в финансовом плане.

Погрузчики, штабелеры, поломоечные машины

Основным параметром при выборе аккумуляторной батареи для погрузчиков и штабелеров является максимальный долговременный ток разряда, так как эта техника потребляет большие токи при своей работе. Важно, что бы под нагрузкой не было значительных просадок по напряжению. LiFePO4 полностью отвечает этому требованию. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют минимальные просадки по напряжению, при этом это напряжение остается стабильным на протяжении всего цикла разрядки и практически не меняется.

Так же на руку играет большой ресурс LiFePO4, поскольку складская техника, как правило, работает каждый день. То же самое можно сказать и про поломоечные машины, зачастую эти аппараты трудятся 24/7, и ресурс АКБ имеет первостепенное значение.

Читайте также:  Блок для аккумулятора canon

Конечно, в мире электротранспорта превосходствуют литий-ионные АКБ. За счет рекордных показателей по соотношению емкости к массе и объему этот тип аккумуляторов получил широчайшее распространение в электромобилях, электробайках, электровелосипедах и т.д. Но поскольку Li-ion не может корректно работать при отрицательных температурах, это накладывает определенные ограничения. И если в электромобилях это удается решить с помощью встроенного обогрева АКБ, то в более простых видах электротранспорта приходится искать альтернативу литий-ионным батареям.

На роль этой альтернативы подходят свинцовые и LiFePO4 аккумуляторы, так как они способны легко выдерживать отрицательные температуры. Разумеется, LiFePO4 будет наилучшим решением, поскольку они занимают второе место по показателям емкости на единицу веса и объема после Li-ion.

В общем и целом можно сказать, что кислотно-свинцовые аккумуляторы доживают последние дни. Все чаще в различных отраслях переходят на литий-железо-фосфат и литий-титанат. Производство литиевых аккумуляторов дешевеет с каждым годом, и вскоре сойдет на нет единственное преимущество свинцовых батарей – цена.

Источник

Преимущества и характеристики литий железо фосфатного аккумулятора

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.

Источник

На Токе заряженный портал

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах — На токе

  • Статьи об электротранспорте
  • Технологии
  • Аккумуляторы
  • Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

Всё о литий-железо-фосфатных (LiFePO4, LFP) аккумуляторах

На рынке сегодня присутствует не малое количество разновидностей литиевых накопителей электроэнергии, и особое место среди них занимает литий-железо-фосфатное (LiFePO4 или LFP) исполнение. Чем оно выгодно отличается от «соплеменников» и каковы его особенности? Вот именно об этом мы будем говорить в данной теме.

Содержание:

  • История появления.
  • Преимущества LiFePO4 электронакопителей.
  • Сравнение LiFePO4 и Li-ion — что лучше?
  • Применение LFP аккумуляторов.
  • Как правильно эксплуатировать LFP батареи.
  • Правила хранения и утилизации LiFePo4.

История появления

john-goodenough-1200x675.jpg

Итак, LiFePO4 был открыт давненько, в 1996-ом году, профессором Техасского университета Джоном Гуденафом. Материал играл роль катода для обычного Li-ion накопителя. Отличался LFP тем, что по сравнению с традиционными литий-кобальтовыми источниками энергии, имел значительное преимущество в цене, был менее токсичным и более термоустойчивым. Однако у LiFePO4 имел место и один значимый недостаток — меньшая ёмкость.

57november.jpg

До 2003-го года разработка практически не продвигалась вперёд, пока она не попала в руки специалистов представляющих фирму A123 Systems. Кроме того, серьёзный толчок делу дали такие инвесторы как Motorola, Qualcomm и Sequoia Capital, благодаря которым технология была доведена до ума.

Первая промышленная партия изделий была выпущена в 2006-ом году и с тех пор, LFP позиционируются как лучшие из силовых электронакопителей.

LiFePO4 обходят конкурентов по таким параметрам:

1. Улучшенные характеристики.

2. Более высокий показатель КПД.

3. Повышенный уровень безопасности.

LiFePO4 предлагают пользователю более продолжительный срок службы, по сравнению со своими Li-ion собратьями. Применение фосфатов даёт возможность избежать расхода кобальта и связанных с этим экологических проблем.

Что мы имеем по техническим характеристикам LiFePO4?

Номинальное напряжение LFP — 3,0-3,3 V, нижний порог напряжения — 2 V. Полностью заряженный накопитель выдаёт 3,6-вольтовое напряжение. Аппаратура может функционировать в диапазоне -30. +60, что является весьма приемлемым результатом для сторонников круглогодичной эксплуатации индивидуального электрического транспорта.

Время зарядки LFP-батареи — 4 часа. Масса аккумулятора с характерстиками 36 V 12 Ah – 5,5 килограмма, разрядной ток — до 35 A, мощность — до 1260 Ватт, пиковая — 2160 Ватт.

Что нам предлагает ближайший конкурент LFP, традиционный Li-ion?

Номинальное напряжение тут уже повыше — 3,6-3,75 V. Нижний порог напряжения — 3 V, а для ёмких Li-ion АКБ нижний показатель — 2,5 V. Полностью заряженный агрегат выдаёт 4,25 V, у более ёмких батареек — 4,35 V. Работают при температуре -20. +60 градусов, но тут нужно учесть, что оптимальный температурный режим для литий-ионного источника энергии — +20. +25 градусов.

Время зарядки Li-ion батареи — 8 часов. Масса аккумулятора с характеристиками 36 V 12 Ah – 3 килограмма, разрядный ток — до 12 A, выдаваемая мощность — до 432 Ватт, пиковая — 864 Ватта.

Преимущества LiFePO4 электронакопителей

scat-i-battery-12-7-1.png

Скорее всего, вас не вдохновит показатель напряжения LiFePO4, но не стоит из-за этого сбрасывать данную разновидность литиевых источников питания со счетов. У них есть ряд преимуществ, которые могут заинтересовать очень многих юзеров.

1. В таких АКБ разработчики используют структуру оливина, высокотемпературного материала, который способен выдерживать температуру до 1900 градусов.

2. Продолжительный срок эксплуатации. Такая аппаратура может выдержать от двух до семи тысяч циклов. При этом, ёмкость снизится всего на 20%. А вот обычный литий-ион столько не потянет: его потенциал 500-1000 циклов разряда/заряда.

3. Срок хранения. По этому параметру LFP изделия также долгоиграющими являются. Хранить их можно 12-15 лет, а вот Li-ion — всего 3-5 лет, потом начинается деградация.

4. Повышенная плотность энергии и стойкость к низким температурным режимам. К примеру LiFePO4 модели ANR26650M1-B от A123 Systems, может работать при заявленном производителем температурном диапазоне -30. +55 градусов, а хранить её можно при -40. +60 градусах. У литий-ионной продукции просадки составляют порядка 3-4 V при нагрузке, а ёмкость снижается в два-три раза при минусовой температуре окружающей среды.

5. Устойчивость к переразряду. Если напряжение преодолеет допустимое значение, LFP грозят лишь несущественные повреждения, при которых девайс сохранит свою работоспособность. А вот Li-ion, при критическом уровне напряжения, становится весьма опасным предметом — происходит разгерметизация из-за которой в атмосферу выбрасывается литий. В этом случае вполне можно ожидать взрыва!

6. LFP не загораются при повреждении компонентов. Они в такой ситуации будут только нагреваться и испускать дым. Li-ion же при повреждении взрываются и могут напугать юзера появлением яркого пламени.

7. 3,2-вольтовое постоянное напряжение на выходе, даёт возможность соединить последовательно две пары аккумуляторов, для получения 12,8-вольтового номинального напряжения на выходе. Это приближено к напряжению свинцово-кислотных АКБ (SLA) с 6-ю ячейками. Данное обстоятельство, параллельно с достойной безопасностью источников питания LFP, делает их отличной возможной заменой SLA во многих отраслях. К примеру, автомобильная промышленность и солнечная энергетика. Тут возможно применение 3,2-вольтовых накопителей стандартного типоразмера 14500/10440, вместо пары гальванических элементов либо АКБ типоразмеров АА/ААА 1,5 V. Для это применяется один LFP электронакопитель, а на место второго компонента устанавливается вставка-проводник с идентичными размерами.

Читайте также:  Как проверить заряд аккумулятора с помощью мультиметра ваз 2109

8. Если сравнивать LFP-батареи с другими литиевыми исполнениями, то они обладают довольно стабильным разрядным напряжением. На выходе напряжение остаётся близко к 3,2 V во время разряда, пока энергия аккумуляторной батареи не иссякнет на сто процентов. Это может существенно упростить корректировку напряжения в цепях или даже исключить надобность в ней.

9. LFP источники питания, обладают пониженной скоростью разряда, по сравнению с Li-ion и SLA электронакопителями.

10. LiFePO4 батареи можно встретить в формате 18650, что очень удобно. Это даёт возможность пользователям собрать источник питания практически любой формы, разместив компоненты наиболее удобным способом. Однако при одном и том же напряжении, LFP изделия будут несколько тяжелее и больше по размерам, поскольку в распоряжении ячеек разное номинальное напряжение.

11. Упрощённая система управления батареей и не сложное зарядное устройство. Большой допуск перезаряда и характеристика самобалансировки LFP-батареи, дают возможность упростить защиту аккумулятора и сбалансировать печатные платы, снизив их себестоимость. Одноступенчатый процесс зарядки позволяет применять более простой, обыкновенный источник питания для зарядки LiFePO4, чего не скажешь о литий-ионном электронакопителе, для которого требуется сложное и дорогое зарядное оборудование.

Сравнение LiFePO4 и Li-ion — что лучше?

2739960november.jpg

Выше в теме я привёл основные характеристики этих разновидностей батарей, но, для большего понимания ситуации, стоит углубиться в подробности.

Сразу скажу: тут стоит отдать должное Li-ion источникам питания, так как именно они чаще всего становятся для потребителя оптимальным выбором.

Стоят они меньше, меньше у них и масса, а при щадящем режиме работы, Li-ion могут предложить юзеру около тысячи циклов. Однако если вам предстоит эксплуатировать индивидуальный электротранспорт в жёстких условиях, к примеру, ездить на электрифицированном велосипеде при минусовых температурах, то стоит отдать приоритет LiFePO4. Такие источники питания совмещают в себе все плюсы Li-ion, но у них отсутствуют их негативные стороны.

Пиковые токи нагрузки и заряда не наносят вреда ресурсу LFP аккумулятора. Кроме того, электронакопители такого типа имеют меньшую склонность к естественной деградации, предлагают минимальный саморазряд и весьма широкий диапазон рабочих температур. Обладателя LFP аккумулятора, порадует и то, что изделие может выдержать более 2000 циклов при утрате ёмкости на 20%. Так что, по выносливости и долговечности LFP-батареи переигрывают остальные литиевые исполнения. В то же время нужно учитывать, что LiFePO4 весят больше чем Li-ion и вдобавок они габаритнее.

В общем, суть такова: перед выбором литиевого энергонакопителя, чётко определитесь со своими приоритетами и условиями дальнейшего использования АКБ.

Применение LFP аккумуляторов

ebike-battery-48v-9ah-lithium-ion-charging.jpg

Системы автономного электроснабжения, в состав которых входят ветрогенераторы и солнечные батареи — вот где LFP активно используется как буферный накопитель. LiFePO4 оборудуется складская техника, поломоечные машины, гольфкары, водный транспорт, электрические велосипеды, электрические скутера, электрические автобусы и электромобили. LFP-накопители также обслуживают телефоны, планшеты и шуруповёрты.

Как правильно эксплуатировать LFP батареи

Не превышайте дозволенные параметры

Любые Li-ion электронакопители, в том числе и новые LFP изделия, довольно быстро вырабатывают свой ресурс, если разряжать их по максимуму либо длительное время удерживать на зарядке. В том случае, если источник энергии часто разряжается ниже допустимого предела, он начнёт утрачивать в ёмкости и по прошествии некоторого времени, электронакопитель будет разряжаться в ускоренном темпе. Также, от перезарядки может случиться такое недоразумение как вздутие девайса, по причине того, что внутри ячеек скапливается газ, а итогом является неприятный всем выход из строя.

Для продления срока эксплуатации LiFePO4, заряжать его рекомендуются до 3,65 V (пик 3,7 V), а разряжать не ниже показателя 2,5 V (пик 2 V).

Применяйте систему управления батареей (BMS)

Аккумуляторные батареи мобильных устройств и электрокаров, как правило, заряжаются на 100%, а затем сразу идут в работу. Однако если не отключить зарядную аппаратуру после полной «заправки», электронакопитель разбухнет и откажется продолжать дальнейшую работу. Думаете нужно в обязательном порядке тщательно следить за напряжением АКБ, чтобы она не разряжалась до минимального значения и не достигала излишнего заряда? Реально, делать это необязательно — разработчики давно решили данную проблему! Они начали ставить на каждую аккумуляторную батарею специальную защитную плату, так называемую BMS. Деталь контролирует показатели источника электроэнергии, от которого заряжается LiFePO4. Она полностью отвечает за зарядку/разрядку АКБ.

Если LFP-батарея начнёт подвергаться зарядке сверх нормы, BMS организует равномерное распределение нагрузки по ячейкам. Если электронакопитель разрядится в значительной степени, контрольная плата прекратит подачу электроэнергии потребителям.

561fe621-ef14-11e9-872b-525400e33e22-e70e9925-ef14-11e9-872b-525400e33e22.png

Если вы приобретаете не целую батарею, а только ячейки и игнорируете внедрение BMS, то распределение напряжения при зарядке АКБ будет неравномерным. К примеру, в вашем распоряжении аккумуляторная батарея состоящая из двух пар ячеек LFP. По ходу дела три ячейки достигают примерно одинакового уровня заряда, где-то на 3,5 V. А вот четвёртая ячейка по заряду выходит значительно выше — 4,25 V. Чем чревата такая разность? Тем, что четвёртая ячейка начнёт заряжаться сверх допустимого и даст сбой. При этом, общее напряжение при зарядке остаётся в пределах дозволенных значений.

Может случиться так, что установить BMS по каким либо причинам будет невозможно и возникает вопрос — а что делать в этом случае? Поставьте хотя бы балансировочные платы, которые помогут удерживать напряжение сбалансированным.

Но в то же время, «балансиры» ничем не помогут накопителю энергии, если все ячейки разрядятся до критического уровня либо начнут перезаряжаться. Кроме того, если расхождение в заряде ячеек будет значительным, балансировочная деталь не будет выравнивать напряжение.

Хотите по максимуму защитить LiFePO4 электронакопитель? Лучший способ сделать это, установить плату BMS, которая будет прекрасно справляться со своими прямыми обязанностями избавляя вас при этом от лишней головной боли.

Режим работы

ps1512486749.jpg

Любую аккумуляторную батарею можно эксплуатировать в двух режимах: буферном и циклическом. Начнём с циклического режима. Вы пользуетесь мобильным устройством целый день, затем устанавливаете его на зарядку, а когда аккумулятор заряжен на сто процентов — продолжаете использовать девайс. А вот что касается буферного режима, то это когда электронакопитель постоянно подзаряжается. Буферный режим встречается в бесперебойных источниках питания. При нём напряжение аккумуляторной батареи редко снижается до критических показателей, по этой причине он проработает дольше, чем если будет функционировать в циклическом режиме.

Если хотите дополнительно продлить срок эксплуатации электронакопителя, понизьте напряжение заряда. Как правило, для LFP-батарей, это 3,40-3,45 V. Однако самый лучший вариант — свериться с теми значениями, которые рекомендует изготовитель АКБ.

Балансировка ячеек

Если вы предпочли собирать LFP-накопитель собственными силами, то перед сборкой нужно в обязательном порядке отбалансировать ячейки — 3,2-вольтовые. Ячейки не всегда являются заряженными в одинаковой степени, поэтому перед применением устройства, его рекомендуется предварительно отбалансировать. Для этого потребуется параллельно соединить каждую ячейку: «+» с «+» и «-» с «-» каждой ячейки. После состыковки зарядите ячейки до 3,65 V.

Если одна либо несколько ячеек продемонстрируют разность сопротивлений, в процессе балансировки будет происходить выравнивание напряжений между компонентами.

Для сбережения ресурса LiFePo4 важно:

1. Применять специальные ЗУ, которые предназначены для аккумуляторов LFP с обозначением конечного напряжения. Зарядки для литиевых АКБ других типов, для LiFePo4 изделий не годятся, так как у LFP более низкое рабочее напряжение.

2. Не следует оставлять источник энергии разряженным. Если последующий саморазряд повлечёт за собой критическое снижение напряжения хотя бы на одном элементе АКБ, это отрицательно скажется на ёмкости всего электронакопителя. Поэтому, если LiFePo4 почти разрядилась, её нужно как можно быстрее установить на зарядку и довести до номинального напряжения, а это 3,2 V на компонент.

3. Не допускайте разряда аккумулятора до его отключения посредством BMS и заряжайте гаджет после каждого применения. LiFePo4 не страдают от эффекта памяти, а полные циклы разряда будут только негативным образом сказываться на ресурсе девайса.

4. Заряжайте агрегат при температуре корпуса приближённой к комнатной. Если накопитель энергии был перед зарядкой на холоде, нужно сначала нагреть его до комнатной температуры. Для этого потребуется 4-5 часов пребывания в тёплом помещении.

5. Для зарядки LiFePo4 лучшим вариантом будут «умные» ЗУ либо контроллеры. Они обеспечивают подзарядку систем напряжением 12-14,6 V, а по прошествии 10-20 минут снижают напряжение до 13,6–13,8 V, то есть, до 3,4–3,45 V на каждый отдельный элемент.

Правила хранения и утилизации LiFePo4

13k6tau.jpeg

Перед тем как отправить LFP на продолжительное хранение, зарядите его до 40-60% и поддерживайте такой уровень на протяжении всего срока хранения. Аккумулятор следует держать в сухом месте, где температурный режим не опускается ниже комнатных показателей.

Когда ваша аккумуляторная батарея полностью отработает своё, следует обратиться в специальную организацию, занимающуюся утилизацией подобного оборудования. Если вы поступите подобным образом, то можете даже заработать на этом. Но в то же время, если вы просто выбросите источник энергии LFP на свалку, ничего страшного не будет.

Заключение

Чтобы вам легче было усвоить всю информацию изложенную в статье, я приведу далее несколько пунктов, которые нужно обязательно запомнить:

1. Следите за тем, чтобы напряжение LiFePo4 не опускалось ниже 2 V и не заходило за отметку 3,7 V. Что касается идеального диапазона, то это 2,5-3,65 V.

2. Если будете собирать батарею LFP самостоятельно, не забудьте про BMS.

3. Если используете АКБ в буферном режиме, понизьте её напряжение. Рекомендуемые параметры — 3,4-3,45 V.

4. Заряжать LFP нужно специальной зарядкой.

5. Перед самостоятельной сборкой электронакопителя, отбалансируйте ячейки, чтобы выровнять напряжение.

Основные преимущества LFP:

1. Продолжительный срок эксплуатации — 2000-7000 циклов заряда/разряда. При этом потеря ёмкости составляет 20%.

2. Срок хранения — 12-15 лет.

3. Может работать при широком диапазоне температур — -30. +60 градусов. Из этого можно сделать простой вывод: LFP хорошо подходят для использования зимой.

4. Не воспламеняется при повреждении компонентов.

5. Устойчивость к переразряду.

Естественно, не обошлось и без недостатков: это бОльшая по сравнению с Li-ion масса и себестоимость. Хотя уже можно обзавестись на Али.

Источник