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.
- Максимальное напряжение на пиковой величине – 3.65 В.
- Уровень напряжения в средней точке – 3.3 В.
- Величина номинального рабочего напряжения – от 3 до 3.3 В.
- Величина напряжения при нулевом заряде – 2 В.
- Минимальный уровень напряжения под нагрузкой – 2.8 В.
- Длительность эксплуатации – от двух до семи тысяч циклов разрядки и зарядки.
- 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.
- Более длительный срок эксплуатации по сравнению с литий-ионными вариациями.
- 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.
- 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.
- За счет использования фосфатов улучшается экологическая безопасность, потому что кобальт здесь практически отсутствует.
- Литий-железофосфатная батарея характеризуется наличием повышенного пикового тока, что положительно сказывается на пиковой мощности.
- Показатель удельной плотности энергии примерно на 15 процентов меньше по сравнению с литий-ионными аналогами.
- В результате медленного уменьшения плотности заряда, после некоторого времени использования литий-железофосфатных батарей их энергетическая плотность больше по сравнению с другими видами.
- Химическая и термическая стабильность положительно сказывается на безопасности эксплуатации.
- 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.
- Зарядка до момента, когда напряжение не будет поднято до 14.2-14.7 вольт.
- Аккумулятор удерживается под таким напряжением от десяти до двадцати минут.
- 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:
- Бистион;
- Лиотех;
- Вело Аккумулятор.
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.
