Что такое аккумулятор литий феррум

Особенности литий-железо-фосфатного аккумулятора

Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы являются наиболее успешным типом батарей на рынке портативных устройств и быстро становятся важными для хранения энергии в транспортных средствах или домашних системах из-за присущих им преимуществ перед другими химическими источниками энергии.

Среди различных литий-ионных химических соединений литий-железо-фосфатный LiFePO4 аккумулятор считается особенно важным для будущих транспортных средств из-за его низкой стоимости, экологичности, стабильности и безопасности даже в агрессивных условиях.

Моделирование литий-ионных аккумуляторов шло в ногу с развитием различных химических элементов источников питания. Первая коммерческая литий-ионная батарея была представлена Sony в 1991 году, а первая основанная на физике модель литиевой батареи, использующая теорию пористых электродов, диффузию частиц и теорию концентрированных растворов, была разработана уже в 1993 году.

Литий-железо-фосфатный LiFePO₄ аккумулятор появился на рынке в 1997 году, когда он был показан в качестве жизнеспособного положительного электродного материала.

Литий-железо-фосфатный – это тип литий-ионного аккумулятора у которого энергия накапливается путем перемещения и накапливания ионов лития вместо металлического лития.

Литий-железо-фосфатные батареи считаются одними из самых долгоживущих источников питания, когда-либо разработанных. Данные испытания в лаборатории показывают до 2000 циклов заряда/разряда. Это связано с достаточно прочной кристаллической структурой фосфата железа, которая не разрушается при повторной упаковке и распаковке ионов лития во время зарядки и разрядки.

Параметры литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Параметры литий-железо-фосфатных аккумуляторов отличаются от других химических источников энергии многоразового действия в лучшую сторону:

• номинальное напряжение 3,2 вольта;
• пиковое напряжение 3,65 вольта обратите внимание на наши новые данные о зависимости емкости от напряжения заряда;
• абсолютное минимальное разрядное напряжение 2,0 вольта;
• напряжение заряда 3,65 вольта 100% заряд;
• при напряжении 3,5 вольт 95% заряда;
• температура заряда 0°-40°C.

Инновации в литий-ионных аккумуляторах

Хотя литий-ионная полимерная батарея малой емкости, содержащая оксид кобальта лития (LiCoO₂) обеспечивает наилучшую массовую плотность энергии и объемную плотность энергии, эти источники очень дорогие и небезопасны для крупномасштабных литий-ионных батарей.

В последнее время литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4) становится “лучшим выбором” материалов в коммерческих литий-ионных источниках питания для применения в больших емкостях и высоких мощностях, таких как ноутбуки, электроинструменты, инвалидные кресла, электронные велосипеды, электрические автомобили и электробусы.

Особенности LiFePO₄

Обычная зарядка

Во время обычного процесса зарядки литий-железо-фосфатный аккумулятор лучше всего может быть полностью заряжен в два этапа:

• применяется постоянный ток для достижения примерно 60% состояния заряда;

• происходит, когда напряжение заряда установится на уровне 3,65 вольт на ячейку, что является максимальным пределом эффективного напряжения зарядки. Переход от постоянного тока к постоянному напряжению означает, что зарядный ток ограничен тем, что батарея будет принимать при этом напряжении, поэтому зарядный ток постепенно уменьшается, точно так же, как конденсатор, заряженный через нагрузку, достигнет конечного напряжения бесконечно приближаясь.

Если по времени, то этапу 1 (60%) требуется около одного часа, а этапу 2 (40% ) – еще два часа.

2. Быстрая “принудительная” зарядка

Поскольку перенапряжение может быть применено к батарее LiFePO₄ без разложения электролита, она может быть заряжена только одним шагом, чтобы достичь 95%, или заряжена, чтобы получить 100%. Это похоже на то, как свинцово-кислотные батареи безопасно заряжаются. Минимальное общее время зарядки составит около двух часов.

3. Большая способность перезарядки и безопасности работы

Если сравнивать с ранее разработанными литий-кобальтовыми аккумуляторами LiCoO2, то они имеют очень узкий допуск перезаряда. Около 0,1 вольт по сравнению с постоянством зарядного напряжения 4,2 В считая это наивысшим пределом напряжения. Непрерывная зарядка свыше 4,3 В может либо повредить работу литий-кобальтовой батареи, например срок службы цикла, либо привести к пожару или взрыву.

Батарея LiFePO₄ имеет гораздо более широкий допуск перезаряда около 0,7 В от своего постоянного зарядного напряжения 3,5 В на ячейку. При анализе с помощью измерителя теплоты химической реакции с электролитом после перезаряда выделение тепла составляет всего 90 джоулей/грамм для LiFePO4 против 1600 Дж/г для LiCoO₂.

Батарею LiFePO₄ можно безопасно перезарядить до 4,2 вольта на ячейку, но более высокие напряжения начнут разрушать органические электролиты. Тем не менее, обычно заряжают 12-вольтовый блок серии из 4-х аккумуляторов с помощью автомобильного зарядного устройства или от автомобильного генератора. Обычные свинцово-кислотные зарядные устройства снижают свое напряжение до 13,8 вольт после нормального заряда и обычно прекращают потреблять ток когда зарядка достигнет 100%. По этой причине для надежного выхода на 100% емкость требуется постоянное зарядное устройство.

С точки зрения большой переносимости перезаряда и безопасности работы батарея LiFePO4 похожа на свинцово-кислотную батарею.

4. Необходимость плат управления

В отличие от свинцово-кислотной батареи, ряд элементов LiFePO4 в батарейном блоке при последовательном соединении не могут уравновесить друг друга в процессе зарядки. Это происходит потому, что ток заряда перестает течь, когда ячейка заполнена. Вот почему пакеты из литий-железо-фосфатный аккумуляторов нуждаются в платах управления.

5. В три-четыре раза более высокая плотность энергии, чем свинцово-кислотная батарея

Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой водную систему. Напряжение одной ячейки номинально составляет 2 В во время разряда. Свинец-тяжелый металл, его удельная емкость составляет всего 44 Ач/кг. Для сравнения, литий-железофосфатная ячейка (LiFePO₄) представляет собой неводную систему, имеющую номинальное напряжение 3,2 в во время разряда. Его удельная мощность составляет более 145 Ач/кг. Гравиметрическая плотность энергии батареи LiFePO₄ составляет 130 Втч/кг, что в три-четыре раза выше, чем у свинцово-кислотной батареи, 35 Втч/кг.

6. Упрощенная система управления батареей и зарядное устройство

Большой допуск перезаряда и характеристика самобалансировки LiFePO₄ аккумулятора позволяют упростить защиту батареи и сбалансировать печатные платы, снизив их стоимость. Одноступенчатый процесс зарядки позволяет использовать более простой обычный источник питания для зарядки аккумулятора LiFePO₄ вместо использования дорогостоящего и сложного литий-ионного зарядного устройства.

7. Большее количество циклов заряд-разряд

По сравнению с кобальтовой батареей LiCoO₂, срок службы которой составляет 400 циклов, батарея LiFePO₄ продлевает свой срок службы до 2000 циклов.

8. Высокие температурные показатели

Вредно иметь батарею LiCoO₂, работающую при повышенной температуре, например 60°C. Однако батарея LiFePO₄ работает лучше при повышенной температуре, отдавая на 10% большую емкость из-за более высокой ионной проводимости лития.

Мировой рынок литий-ионных аккумуляторов продолжает расти, поскольку их плотность мощности и плотность энергии увеличиваются.

Кроме того, производственные возможности для крупноформатных ячеек и снижение себестоимости производства расширили области применения этой химии батарей. Литий-ионные аккумуляторы и их разновидность литий-железо-фосфатные аккумуляторы в настоящее время используются не только в потребительских товарах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, но и для транспортных средств и стационарных хранилищ.

Источник

Что такое Lifepo4 аккумулятор и как им пользоваться

Чтобы обеспечить технику электроэнергией, производители использовали свинцово-кислотные аккумуляторы. С развитием технологий появились литий-ионные аккумуляторы с более высокой энергетической плотностью, что позволяло дольше пользоваться техникой без подзарядки. Такие аккумуляторы используются до сих пор. Производители устанавливают их в мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки и даже электромобили. Главный недостаток литий-ионных аккумуляторов — они быстро изнашиваются.

Чтобы продлить жизнь литий-ионным аккумуляторам, американский профессор придумал новую технологию. Он разработал LiFePO4 аккумулятор и стал использовать его как катод к литий-ионному аккумулятору. Однако новый тип аккумулятора обладал меньшей емкостью и все еще не мог выйти на широкий рынок. Чтобы решить проблему, американский профессор привлек инвесторов. Среди них была небезызвестная компания Motorola. Деньги инвесторов позволили довести технологию до ума и вывести LiFePO4 аккумуляторы на широкий рынок.

Сейчас LiFePO4 аккумуляторы набирают все большую популярность, активно вытесняя своих конкурентов.

Не превышайте допустимых значений.

Любые литий-ионные аккумуляторы, в том числе новые LiFePO4, быстро изнашиваются, если их разряжать до минимума или долго держать на зарядке. Если часто разряжать батарею ниже допустимых значений, она начнет терять емкость и со временем будет быстрее разряжаться. Если перезарядить батарею, она вздуется из-за скопления газа внутри ячеек и быстро выйдет из строя.

Чтобы продлить срок службы литий-железо-фосфатного аккумулятора, заряжать аккумулятор рекомендуется до 3,65V (пик 3,7V), разряжать не ниже 2,5V (пик 2V)

Используйте защитную плату BMS

В мобильных телефонах и электромобилях аккумуляторы обычно заряжаются до максимума и после этого сразу используются. Но если не отключить зарядное устройство после полной зарядки, аккумулятор разбухнет и выйдет из строя. Однако необязательно пристально следить за напряжением аккумулятора, чтобы он не разряжался до минимума и не перезаряжался. Производители придумали как решить эту проблему. Они устанавливают на каждый аккумулятор защитную плату BMS. Плата контролирует параметры источника питания, от которого заряжается аккумулятор, и полностью управляет процессом разрядки и зарядки.

Если LiFePO4 аккумулятор начнет перезаряжаться, плата BMS обеспечит равномерную нагрузку на ячейки. Если аккумулятор сильно разрядится, плата BMS отключит его от потребителя энергии.

Если вы покупаете не целый аккумулятор, а только ячейки и не устанавливаете BMS плату, то напряжение при зарядке аккумулятора будет распределяться неравномерно. Например, вы пользуетесь аккумулятором из четырех ячеек LiFePO4. Со временем три ячейки становятся примерно одинаково заряженными, где-то на 3,5V. А заряд четвертой ячейки оказывается гораздо выше — 4, 25 V. В таком случае четвертая ячейка начнет перезаряжаться и выйдет из строя. Даже несмотря на то, что общее напряжение при зарядке остается в пределах допустимых значений.

Если нет возможности поставить защитную плату BMS, постарайтесь поставить хотя бы балансировочные платы. Они помогают сбалансировать напряжение.

Однако балансировочные платы никак не помогут спасти аккумулятор, если все ячейки слишком сильно разрядятся или начнут перезаряжаться. К тому же, если разница в заряде ячеек будет слишком высокой, балансировочная плата не поможет выравнивать напряжение.

Самый надежный способ защитить литий-железо-фосфатный LiFePO4 аккумулятор — поставить защитную плату BMS.

Учитывайте режим работы

Любой аккумулятор можно использовать в двух режимах работы: циклическом и буферном. Циклический режим проще всего объяснить на примере бытовой техники. Вы пользуетесь телефоном целый день, потом ставите его на зарядку, а когда батарея полностью заряжена — продолжаете пользоваться. Буферный режим — это когда аккумулятор постоянно находится на подзарядке. Такой способ работы можно встретить в бесперебойных источниках питания. При буферном режиме работы напряжение аккумулятора редко падает до критических значений, поэтому он служит дольше, чем при циклическом режиме работы.

Чтобы дополнительно продлить жизнь аккумулятору, рекомендуется понизить напряжение заряда. Обычно для LiFePO4 это 3.40-3.45V. Но лучше всего сверится с рекомендуемыми значениями от производителя. Их можно узнать у продавца во время покупки.

Отбалансируйте ячейки

Если Вы решили самостоятельно собирать аккумулятор, то перед сборкой обязательно отбалансируйте ячейки (аккумуляторы 3,2V). Ячейки не всегда бывают одной степени заряженности. Поэтому перед использованием нужно предварительно провести балансировку. Для этого нужно параллельно соединить каждую ячейку — плюс каждой ячейки соединить между собой, и то же самое сделать с минусом. Заряжать соединенные таким образом ячейки нужно до 3,65V.

Если одна или несколько ячеек покажут разность сопротивлений, во время балансировки произойдет выравнивание напряжений.

Преимущества LiFePO4 аккумулятора перед свинцовыми аккумуляторами

Может показаться, что правильно пользоваться литий-железо-фосфатным аккумулятором сложно. Гораздо легче пользоваться привычными свинцово-кислотными аккумуляторами. Но у LiFePO4 есть весомые преимущества:

1. От 2000 до 3000 циклов заряда-разряда.
2. Срок службы от 10 до 20 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации.
3. Благодаря низкому сопротивлению ячеек, аккумулятор можно зарядить за один час током 1С.
4. Аккумулятор не просаживается под нагрузкой. Благодаря этому его КПД составляет 95-98%.

Что нужно запомнить

Чтобы легче усвоить всю информацию в статье, пользуйтесь шпаргалкой.

1. Следите, чтобы напряжение аккумулятора не опускалось ниже 2.00 V и не повышалось выше 3,70 V, идеальный диапазон не ниже 2,5V и не выше 3,65V.
2. Если покупаете ячейки LiFePO4, не забудьте про защитную плату BMS.
3. Понизьте напряжение аккумулятора, если пользуетесь им в буферном режиме. Рекомендуемые параметры от 3,4V до 3,45V.
4. Заряжайте аккумулятор специальным зарядным устройством.
5. Перед сборкой аккумулятора, отбалансируйте ячейки, чтобы выровнять напряжение.

Источник

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

На современном рынке потенциальным покупателям доступно большое количество различного электронного оборудования. Чтобы обеспечить полноценную их работоспособность, разработчикам приходится дорабатывать источники питания. Вполне возможно, нам недолго осталось ждать момента, когда литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи начнут вытеснять альтернативные варианты.

История

LiFePO4 аккумуляторы изобрели в 1996 году в Соединенных Штатах. По сравнению с популярным литий-ионным источником питания, он характеризуется меньшей себестоимостью, имеет повышенный уровень термоустойчивости, гораздо менее токсичен. Единственный недостаток в то время заключался в минимальной емкости.

Семь лет эту разработку никто не воспринимал всерьез, пока за дело не взялись специалисты фирмы A123 Systems. Ее создатели на тот момент изготавливали аккумулятор, способный самостоятельно воспроизводить структуру коллоидного раствора, создавая для этого соответствующие условия. Но на момент разработки появились большие проблемы, из-за которых A123 Systems и взялись за исследование аккумуляторов LiFePO4. Новой технологией производства батарей заинтересовались крупные производители мобильных устройств, принявшие решение инвестировать свои деньги в развитие проекта.

Устройство и принцип работы

Конструкция батарей типа LiFePO4 включает в себя электроды, плотно прижатые к сепаратору с каждой стороны. Чтобы обеспечить полноценное питание устройства, анод и катод подключены к набору токосъемников. Внутренняя начинка находится в пластиковом корпусе, внутри которого присутствует электролит. На корпус устанавливают микроконтроллер, отвечающий за регулировку входящего тока в процессе зарядки.

Особенность принципа работы такого аккумулятора заключается во взаимодействии углерода и феррофосфата. В качестве переносчика электрического заряда выступает литиевый ион с положительным зарядом. В процессе эксплуатации он внедряется в кристаллическую решетку других веществ, образовывая тем самым химические связи.

Технические характеристики

Каждый производитель изготавливает аккумуляторные батареи по идентичному принципу. Соответственно и простые АКБ и ячейки батарей имеют идентичные характеристики.

1. Максимальное напряжение на пиковой величине – 3.65 В.
2. Уровень напряжения в средней точке – 3.3 В.
3. Величина номинального рабочего напряжения – от 3 до 3.3 В.
4. Величина напряжения при нулевом заряде – 2 В.
5. Минимальный уровень напряжения под нагрузкой – 2.8 В.
6. Длительность эксплуатации – от двух до семи тысяч циклов разрядки и зарядки.
7. Уровень самозаряда – до пяти процентов в год при хранении в сухом помещении, температура которого варьируется в пределах от 15 до 18 градусов Цельсия.

Технические характеристики lifepo4 аккумуляторов, приведенные выше, являются актуальными и для ячеек на основе этой химии. Исходные параметры аккумуляторных батарей будут варьироваться в разных пределах, в зависимости от объема объединенных ячеек.

Российский литий железо фосфатный аккумулятор может похвастаться такими техническими характеристиками:

• емкость – до двух тысяч ампер в час;
• напряжение – 12/24/36/48 В;
• диапазон эксплуатационных температур – от -30 до +60 градусов Цельсия. Достигается отличная работа при отрицательной температуре;
• ток заряда – от четырех до тридцати ампер.

Внимание! Качественно изготовленный аккумулятор сохраняет первоначальные технические параметры на протяжении пятнадцати лет, характеризуются стабильностью напряжения и минимальным уровнем токсичности.

Сравнение со свинцово-кислотными, li-ion и ni-cd аккумуляторами

По техническим характеристикам литий железо фосфатный аккумулятор напоминает IMR с похожими областями применения. Отличие заключается в уменьшенной емкости. Также такая аккумуляторная батарея способна работать под гораздо большей нагрузкой, при этом на ее производство уходит в среднем на 20 процентов меньше средств. Стоит отметить еще и повышенную безопасность, увеличенный эксплуатационный срок.

Химическое взаимодействие этих элементов устроено так, что при возникновении критической нагрузки не образовывается кислород. Соответственно, давление внутри батарейки сохраняется на первоначальном уровне. Использовать аккумулятор можно на протяжении трех тысяч циклов зарядки/разрядки. И это лишь среднее значение. Безопасность литий-железофосфатных аккумуляторов настолько высока, что они могут питать устройства, будучи полностью погруженными в воду.

Сильные и слабые стороны

По сравнению с литий-ионными и прочими видами батарей, литий железо фосфатные акб характеризуются рядом преимуществ.

1. Более длительный срок эксплуатации по сравнению с литий-ионными вариациями.
2. Высокая стабильность напряжения разряда. На выходе напряжение будет составлять примерно 3.2 вольта до тех пор, пока заряд не будет израсходован полностью. Таким образом, достигается упрощение или даже полное устранение необходимости пользоваться регуляторами напряжения в цепи.
3. Из-за постоянного напряжения на выходе аккумуляторы можно соединить последовательно, получив тем самым суммарное номинальное напряжение. К примеру, три батареи дадут напряжение 9.6 В. Следовательно, рассматриваемые источники питания – отличная замена для аккумуляторов свинцово-кислотного типа.
4. За счет использования фосфатов улучшается экологическая безопасность, потому что кобальт здесь практически отсутствует.
5. Литий-железофосфатная батарея характеризуется наличием повышенного пикового тока, что положительно сказывается на пиковой мощности.
6. Показатель удельной плотности энергии примерно на 15 процентов меньше по сравнению с литий-ионными аналогами.
7. В результате медленного уменьшения плотности заряда, после некоторого времени использования литий-железофосфатных батарей их энергетическая плотность больше по сравнению с другими видами.
8. Химическая и термическая стабильность положительно сказывается на безопасности эксплуатации.
9. Морозостойкость. Благодаря увеличению диапазона эксплуатационных температур аккумуляторы находят свое применение в местах с суровым климатом. При этом емкость от температуры имеет минимальную зависимость.

Что касается недостатков, пока что обнаружено всего два. Первый – высокая цена. Элемент емкостью 20 ампер-часов может стоить примерно 32-35 тысяч рублей. Вторым минусом является высокая сложность самостоятельного создания батарейной банки по сравнению с литий-ионными элементами.

Сфера применения

Благодаря свойствам, заявленным производителями, сфера применения литий-железо-фосфатных аккумуляторов довольно большая. Они могут выступать в качестве источника питания для электрического квадроцикла и мотоцикла, электропогрузчика, лодочного мотора. Другими словами, применение актуально там, где требуется повышенный уровень токоотдачи и оперативность зарядки.

Зарядка

Как зарядить lifepo4 аккумулятор? Рассматриваемые аккумуляторные батареи совместимы с любым контроллером и зарядным устройством, предназначенным для пополнения заряда свинцово-кислотного источника питания. Особенно хорошим решением является применение «умного» зарядного устройства, которое работает многостадийно. Последовательность действий ЗУ, позволяющего правильно заряжать батарею, обычно следующая.

1. Зарядка до момента, когда напряжение не будет поднято до 14.2-14.7 вольт.
2. Аккумулятор удерживается под таким напряжением от десяти до двадцати минут.
3. Напряжение уменьшается до 13.6-13.8 вольт.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор надо укомплектовывать защитной платой BMS. Она делает балансировку ячеек работоспособной. Как правило, балансировка активируется при напряжении от 3.6 до 3.75 вольт. Для обеспечения ее работоспособности требуется кратковременное увеличение общего напряжения батареи до 14.4 вольта. С этой задачей как раз отлично справляется «умное» зарядное устройство аккумулятора. Выбор в пользу BMS зависит от задач, которые поставил перед собой человек. Выбирая, какой ток установить зарядке, надо ориентироваться на порог балансировки и совместимость зарядных устройств.

С помощью платы BMS обеспечивается полноценная работа балансировки ячеек. При этом само напряжение периодически падает, тем самым сохраняя нормальную температуру батареи, при которой зарядка литий железо фосфатного аккумулятора становится безопасной. По мере необходимости, по всем вопросам, связанным с выбором BMS, можно обратиться к профильным специалистам или продавцам в интернет-магазинах.

Хранение и эксплуатация

Перед отправкой аккумулятора на хранение настоятельно рекомендуется предварительно зарядить его хотя бы до 50 процентов, поддерживая заданное значение до тех пор, пока аккумулятор не будет эксплуатироваться дальше. Также нужно хранить батарею в сухой комнате, температура которой удерживается на комфортном уровне, соблюдая график разряда.

Эксплуатацию надо вести в соответствии с требованиями производителя. Никогда не допускайте перегрев батареи. Заметив, что время от времени он неравномерно нагревается, придется обратиться к специалистам сервисного центра. Наиболее вероятной причиной такого поведения является выход из строя одной из ячеек. Также не исключены неисправности внутри балансирной платы или блока управления.

Чтобы правильно утилизировать батарею, непригодную к дальнейшей эксплуатации, также придется воспользоваться помощью профильной компании. С одной стороны, даже если просто выбросить аккумулятор на свалку, он не сможет негативно повлиять на окружающую среду. С другой, если отправить аккумулятор в утилизационный центр, вы не только зарекомендуете себя как порядочный гражданин, но и получите денежную компенсацию. Утилизационные организации принимают батареи за небольшое вознаграждение, сумму которого уточнят при посещении.

Основные производители в мире и в России

Ниже представлен перечень самых популярных производителей литий железо фосфатных аккумуляторов в России:

Самыми известными зарубежными компаниями являются такие, как Ensol и Aspil Energy. Каждый из брендов, приведенных выше (включая продукцию российского производства), распространяет официальную гарантию на собственную продукцию.

Заключение

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы являются одними из самых молодых видов батарей, доступных на отечественном рынке. Вполне возможно, что компания-разработчик A123 Systems никогда не взялась бы за развитие идеи использования литий-железо-фосфатного химического соединения, если бы у нее все получилось с основной разработкой. Эксплуатация литий-железо-фосфатного аккумулятора должна вестись вместе со специальной контролирующей платой, задача которой заключается в регулировке входящего тока. Наряду с большим количеством преимуществ, недостатков всего два – высокая стоимость и сложности в плане самостоятельной сборки. С другой стороны, с каждым годом производители стараются сделать конструкцию еще проще, а технические характеристики – более высокими.

Источник