Отличие литиевых аккумуляторов от свинцовых

Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах

Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.

Миф первый

Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться

Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.

В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.

Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.

Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.

А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.

Миф второй

Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно

Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.

Перечислим пять самых критичных:

• Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
• Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
• В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
• В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
• В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.

Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.

Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.

Миф третий

Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам

Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.

Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.

Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.

Миф четвёртый

Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает

На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.

Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.

Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.

Миф пятый

Литий-ионные батареи слишком дорогие. Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют

Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.

Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.

Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.

Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.

Подведем итог:

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.

При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.

Источник

Экономическое сравнение применения в ИБП батарей на базе свинцово-кислотных и литий-ионных элементов

До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.

Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.

Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:

• Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
• Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
• Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
• Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
• Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).

Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.

Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.

Основными параметрами любой АКБ, является:

1. Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
2. Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
3. КПД: потери энергии при заряде и разряде
4. Количество циклов разряда и заряда
5. Срок годности – или период эксплуатации

Критерий	Свинец	ЛИА
Ёмкость (вт/кг)	25	110
Ток разряда (при котором АКБ отдаёт всю ёмкость)	0,1С (10% от тока ёмкости)	3С (300% от тока ёмкости)
КПД	80%	97%
Количество циклов разряда — заряда	700	5000
Срок годности – или период эксплуатации	3.5 лет	25 лет

Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом — серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.

В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.

Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.

ИБП 300 кВА. Напряжение постоянного тока 400 В. Время работы при полной нагрузке 30 мин.
Критерий	Свинец	Литий	Комментарии
При работе на полную нагрузку, ИБП будет потреблять 750А в течении 30 мин. Требуемая ёмкость и тип АКБ	OPzV 1200Ач (2В) 185ШТ	ЛИА 400Ач (3.2В) 125 ШТ.	АКБ требует высокие токи разряда, которые могут поддерживать только единичные элементы по 2,14В. При высоких токах разряда свинцовая АКБ не отдаёт 100% своей ёмкости. Рекомендуемые производителем токи разряда подтверждают, что минимальная ёмкость АКБ должна быть 1200Ач. Для лития данных проблем нет, поэтому устанавливается батарея почти номинальной ёмкости.
Стоимость	Одинаковая	Одинаковая	Обычно цена АКБ рассчитывается исходя из стоимости одного Ампер часа. Приведенные цены являются средними по рынку. Цена за ЛИА АКБ приведена с учетом стоимости системы управления.
Вес АКБ	В среднем по 100 кг на элемент 185*100=18500 кг	В среднем по 11 кг на элемент 125*11=1375 кг	При использовании ЛИА АКБ потребуется размер помещения(площадь и предельные нагрузки на пол) в 13 раз меньше чем для свинца.
Срок эксплуатации до замены	3.5 лет	25 лет	Срок эксплуатации свинцово кислотных OPzV АКБ 20 лет, но они не служат так долго. Дело в том, что производитель указывает срок эксплуатации при разряде батареи током не более 10% от номинальной ёмкости, а значит для АКБ 1200Ач, это всего 120А. Ток разряда данного ИБП 750А, что в 6 раз выше рекомендованного. При такой силе разряда свинцовые АКБ выходят из строя гораздо быстрее, а потеря емкости заметна уже через несколько циклов разряда.
Стоимость обслуживания	Высокая	Нет	Можно установить свинцовых АКБ в 6 раз больше, что бы они прослужили 18 лет, но стоимость такого массива будет астрономической. ЛИА работает в штатном режиме и прослужит заявленное время эксплуатации без замены.

Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С

Маркировка	Минуты			Часы
	10	15	30	1	2	3	5	8	10
OPzV-200	261	230	171	122	79	58	39	27	21
OPzV-250	302	287	213	152	98	73	49	33	26
OPzV-300	362	344	256	182	118	87	58	40	31
OPzV-350	365	347	275	204	139	105	72	50	37
OPzV-420	438	417	330	245	167	126	86	60	45
OPzV-500	472	448	366	286	195	147	101	67	52
OPzV-600	477	454	388	302	219	168	118	85	66
OPzV-800	740	693	580	422	293	223	157	113	82
OPzV-1000	887	823	681	515	370	282	197	131	103
OPzV-1200	956	903	790	614	450	342	237	165	123
OPzV-1500	1011	995	874	697	521	407	294	197	155
OPzV-2000	1372	1326	1165	929	695	543	391	276	207
OPzV-2500	1685	1658	1510	1203	863	668	482	317	258
OPzV-3000	2022	1989	1813	1444	1035	802	579	378	309

Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:

• Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
• Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
• Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350%, исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.

Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.

Остались вопросы о замене свинцово-кислотных батарей на ЛИА? Звоните по телефону:
+7 (495) 966-01-07 . Доверьте электроснабжение
вашего дома или предприятия настоящим профессионалам!

Источник