Литий-железофосфат: новые аккумуляторы-долгожители от компании EEMB
Относительно недавно появившиеся на рынке литий-железофосфатные аккумуляторы несколько проигрывают литий-полимерным по максимальной удельной плотности энергии. Однако это окупается практически четырехкратным преимуществом по количеству циклов «заряд-разряд». Компания EEMB выпускает широкую линейку Li-FePO4-аккумуляторов для различных применений.
В настоящее время происходит активное развитие систем хранения данных (серверных/дата-центров), различного телекоммуникационного оборудования, систем контроля доступа и охранно-пожарных систем, альтернативной энергетики, электротранспорта и других промышленных систем и объектов, требующих автономного электропитания. Для обеспечения электропитанием указанных систем все более востребованными становятся различного рода вторичные химические источники тока, или аккумуляторы.
В большинстве приложений в качестве вторичных источников тока до сих пор применяются свинцово-кислотные аккумуляторы, как имеющие наиболее отлаженную технологию производства и низкую удельную стоимость энергии.
Рис. 1. Система электропитания дата-центра
Многие из указанных выше областей применения аккумуляторов характеризуются потреблением большой и даже очень большой мощности – от единиц до нескольких сотен киловатт (альтернативная энергетика, электротранспорт, дата-центры). Отключения основной сети электропитания носят случайный характер и могут происходить с различными интервалами времени, поэтому для бесперебойной работы требуется весьма большой запас энергии. Конечно, на важных объектах время отключения от основной электросети регламентировано и обеспечивается выполнением дополнительных линий резервного питания и/или дизельной установкой. Например, если рассмотреть схему построения электропитания серверного оборудования, то она будет включать в себя подсистему гарантированного электропитания (ПГЭ) с двумя вводами от разных подстанций и отдельную дизельную установку (рисунок 1). Дополнительно в схему входит подсистема бесперебойного электропитания (ПБЭ), включающая два комплекта источников бесперебойного питания (основной и резервный каналы UPS). Каждый из источников бесперебойного питания оснащен комплектом аккумуляторных батарей на требуемую энергию, а учитывая мощность, потребляемую дата-центрами (до сотен кВт), становится понятной важность высокой удельной энергоемкости и длительного срока службы используемых аккумуляторов. Еще более значимым этот параметр становится, если аккумуляторы используются на электротранспорте, поскольку транспортировка «лишних» килограммов приводит только к бесполезному расходованию энергии и снижению общего КПД. И здесь распространенные свинцово-кислотные аккумуляторы существенно проигрывают другим типам аккумуляторов (на основе лития). Проигрывают свинцово-кислотные аккумуляторы и по содержанию вредных веществ, когда требуется их утилизация, а утилизировать их приходится в огромных количествах.
Если посмотреть на историю развития химических источников тока, мы заметим, что внимание разработчиков уделялось и уделяется, в основном, нескольким показателям: увеличению удельной энергоемкости и срока службы, снижению массогабаритных характеристик и стоимости, повышению экологичности и безопасности. Перечисленные параметры являются наиболее важными по отношению ко всем химическим источникам тока.
Аккумуляторы – перезаряжаемые источники тока, и для них одним из основных параметров является допустимое количество циклов «заряд-разряд», так как именно этим параметром определяется срок эксплуатации аккумулятора, а соответственно – частота обслуживания (регламентная замена аккумуляторов) и надежность системы в целом. Наибольшим количеством циклов «заряд-разряд» в настоящее время обладают литий-железофосфатные аккумуляторы (Li-FePO4) [1]. Некоторые основные параметры кислотно-свинцовых и литий-железофосфатных аккумуляторов приведены в таблице 1. Указанное в таблице значение циклов заряд-разряд для Li-FePO4 даже может быть увеличено в 2…4 раза, если осуществлять зарядку не дожидаясь полной разрядки аккумулятора. Это можно делать, так как рассматриваемый тип аккумуляторов не обладает эффектом памяти.
Таблица 1. Обобщенные сравнительные характеристики аккумуляторов
| Тип аккумулятора | Рабочее напряжение (ячейки), В | Диапазон рабочей температуры (разряд), °С | Количество циклов «заряд-разряд» | Ток разряда (макс.), С | Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг (Вт*ч/л) |
| Свинцово-кислотные | 2 | -30…45 | 2000 | до 10 | до 140 (270) |
Литий-железофосфатные аккумуляторы пока еще являются новым типом продукции. Как изделия, доступные и пригодные для промышленного применения, они впервые появились на рынке 2003 году. Основной вклад в развитие данной технологии внесла американская компания 123 Systems.
Литий-железофосфатный аккумулятор был разработан как дальнейшее развитие литий-ионного аккумулятора, но при этом он характеризуется меньшей стоимостью и значительно более длительным сроком службы. Кроме того, элементы данного типа аккумулятора химически и термически стабильны, поэтому он значительно безопасней в эксплуатации, чем предшественник. Конечно, нельзя сказать, что литий-железофосфатный аккумулятор обладает максимальной удельной плотностью энергии. Он немного проигрывает по этому параметру литий-полимерным аккумуляторам (рисунок 2), но этот недостаток с запасом окупается практически четырехкратным перевесом в количестве циклов «заряд-разряд» (сроком службы). За время работы литий-железофосфатного аккумулятора можно сменить три-четыре литий-полимерных, а он будет продолжать работать.
Рис. 2. Удельная энергоемкость аккумуляторов
Следует сказать, что среди всего многообразия существующих и применяемых на сегодняшний день аккумуляторов невозможно найти абсолютного лидера по всем параметрам. В любом случае, всегда приходится руководствоваться тем, что в данном применении является наиболее важным, и, как правило, мы вынуждены выбирать некоторое компромиссное решение между техническими параметрами, стоимостью и безопасностью.
В настоящее время литий-железофосфатные аккумуляторы выпускаются во многих странах, в том числе и в России, но основное количество производителей сосредоточено в Китае. Это объясняется тем, что именно в этой стране находятся наибольшие запасы лития. На российском рынке представлена продукция различных производителей, среди которых заметную роль играет известная компания EEMB.
История работы компании EEMB в сфере разработки и изготовления химических источников тока насчитывает около 20 лет. Все это время компания специализируется на изготовлении именно литиевых первичных и вторичных источников тока различных электрохимических систем (Li-SOCl2, Li-MnO2, Li-SO2, Li-Ion, Li-Polimer).
Все выпускаемые аккумуляторы производятся как в виде единичных элементов, так и в виде батарей с последовательно-параллельным соединением элементов (ячеек). В зависимости от потребностей в конкретном приложении (емкость/напряжение), можно заказать изготовление специальных батарей из отдельных ячеек, также можно заказать требуемый размер ячеек (важно выполнить условие: требуемая удельная энергетическая плотность не должна превышать достигнутой – 250…270 Вт·ч/л).
Линейка продукции литий-железофосфатных аккумуляторов, выпускаемых компанией, делится на несколько групп, различающихся между собой электрическими и конструктивными параметрами:
- отдельные ячейки в виде модулей;
- батареи для телекоммуникационного оборудования (BTS);
- батареи для источников бесперебойного питания и альтернативной энергетики (UPS);
- батареи для электротранспорта.
Внешний вид некоторых аккумуляторов, выпускаемых компанией EEMB, представлен на рисунке 3.
Источник
Перспективные типы аккумуляторных батарей
Литий-серные батареи
Литий-серные батареи отличает большая удельная емкость, которая является следствием того, что в процессе химической реакции каждая молекула отдает не один, а два свободных электрона. Их теоретическая удельная энергия составляет 2600 Вт*ч/кг. Кроме того, такие батареи существенно дешевле и безопаснее литий-ионных.
Базовая Li-S батарея состоит из литиевого анода, серно-углеродного катода и электролита, через который проходят ионы лития. При разряде происходит химическая реакция, в ходе которой литий анода превращается в сульфид лития, осаждающийся на катоде. Напряжение батареи составляет от 1,7 до 2,5 В, в зависимости от степени разряда батареи. Полисульфиды лития, образующиеся в ходе реакции, оказывают влияние на вольтаж батареи.
Химическая реакция в батарее сопровождается рядом негативных побочных явлений. Когда сера катода поглощает ионы лития из электролита, образуется сульфид лития Li2S, который осаждается на катоде. При этом его объем увеличивается на 76%. При заряде происходит обратная реакция, приводящая к уменьшению размеров катода. Вследствие этого катод испытывает значительные механические перегрузки, приводящие к его повреждению и потере контакта с токоприемником. Кроме того, Li2S ухудшает электрический контакт в катоде между серой и углеродом (путь, по которому движутся электроны) и препятствует протеканию ионов лития к поверхности серы.
Другая проблема связана с тем, что в процессе реакции между серой и литием Li2S образуется не сразу, а через серию превращений, в ходе которых образуются полисульфиды (Li2S8, Li2S6 и др.). Но если сера и Li2S нерастворимы в электролите, то полисульфиды – наоборот, растворяются. Это приводит к постепенному уменьшению количества серы на катоде. Еще одна неприятность – появление шероховатостей на поверхности литиевого анода при прохождении больших разрядных и зарядных токов. Все это, вместе взятое, приводило к тому, что такая батарея выдерживала не более 50-60 циклов разряда-заряда и делало ее непригодной для практического использования.
Нанокомпозитный катод Li-S батареи
Однако последние разработки американцев из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволили преодолеть эти недостатки. Ими создан уникальный катод из нанокомпозитного материала (оксида графена и серы), целостность которого поддерживается с помощью эластичного полимерного покрытия. Поэтому изменение размеров катода в ходе разряда-заряда не приводит к его разрушению. Для защиты серы от растворения применяется ПАВ (поверхностно активное вещество). Так как ПАВ является катионным (т.е. притягивается к поверхности слоя серы), оно не препятствует литиевым анионам реагировать с серой, но не позволяет образовавшимся при этом полисульфидам растворяться в электролите, удерживая их под своим слоем. Также разработан новый электролит на основе ионной жидкости, в которой не растворяются полисульфиды. Ионная жидкость и намного безопаснее – она не горит и почти не испаряется.
В результате всех описанных нововведений значительно повышается производительность батареи. Ее начальная удельная энергия составляет 500 Вт*ч/кг, что более чем в два раза превышает показатель Li-ion батарей. После 1500 20-часовых циклов разряда-заряда (С=0,05) ее удельная энергия снизилась до уровня свежей Li-ion батареи. После 1500 1-часовых циклов (С=1) снижение составило 40-50%, но батарея по-прежнему сохранила работоспособность. Когда же батарею испытывали при большой мощности, подвергая 10-минутному циклу разряда-заряда (С=6), то даже после 150 таких циклов ее удельная энергия превышала удельную энергию свежей Li-ion батареи.
Предполагаемая цена такой Li-S батареи не превысит 100$ за каждый кВт*ч емкости. Многие инновации, предложенные командой исследователей из Беркли, могут быть использованы и для улучшения существующих Li-ion батарей. Для создания практической конструкции LiS батареи разработчики ищут партнёров, которые профинансируют окончательную ее доводку.
Литий-титанатовые батареи
Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие. Новая технология предполагает значительное сокращение “бесполезных” материалов в конструкции аккумулятора.
Новейшие литий-титанатовые батареи помогли преодолеть еще один недостаток Li-ion аккумуляторов – их недолговечность и длительность подзарядки. В ходе исследований было обнаружено, что при зарядке большими токами ионы лития вынуждены «продираться» между микропластинками графита, тем самым постепенно разрушая электроды. Поэтому графит в электродах заменили структурами из наночастиц титаната лития. Они не мешают движению ионов, что в итоге привело к фантастическому увеличению срока службы – более 15000 циклов в течение 12 лет! Время зарядки с 6-8 часов сокращается до 10-15 минут. Дополнительные преимущества – термостабильность и меньшая токсичность.
По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке. При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних – всего 250 долл. за кВт/ч.
Литий-воздушные батареи
Технологии не стоят на месте, и ученые уже работают над созданием практической конструкции литий-воздушного (LiO2) аккумулятора. Его теоретическая энергетическая емкость выше в 8-10 раз, чем у литиево-ионного. Для того чтобы уменьшить вес батареи, сохранив при этом, или даже увеличив ее емкость, ученые предложили радикальное решение – отказ от традиционного катода: литий будет взаимодействовать непосредственно с кислородом из воздуха. Благодаря каталитическому воздушному катоду предполагается не просто увеличить энергоемкость аккумулятора, но и уменьшить почти во столько же раз его объем и вес.
Для массового производства литий-воздушная технология требует решения множества технических и научных задач, среди которых создание эффективного катализатора, литиевого анода и стабильного твердого электролита, способного работать при низких температурах (до -50C). Кроме того, нужно разработать технику нанесения катализатора на поверхность катода, создать мембрану, которая бы предотвращала проникновение кислорода на литиевый анод, а также разработать методы изготовления специальных пористых электродов.
Источник