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 аккумулятор

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

  1. Обычная зарядка

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

Этап 1:

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

Этап 2:

  • 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.