Аккумуляторы LiFePO4 против аккумуляторов NCM
Технология NCM
В Li-ion аккумуляторах подвида NCM (альтернативная маркировка – INR) применяется литий-никель-марганец-кобальт-оксидный катод – LiNiMnCoO2. Никель обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Кобальт повышает стабильность химической структуры, улучшает проводимость, увеличивает емкостные характеристики и циклический ресурс ячеек. Марганец повышает стабильность материала, устойчивость к токовым нагрузкам и безопасность использования элементов питания.
Такой состав катода обеспечивает ячейкам отличные характеристики, в числе которых:
- высокая плотность энергии – до 200 Вт·ч/кг;
- увеличенная номинальная мощность;
- ток разряда до 2С;
- номинальное напряжение 3,7 В на элемент;
- рабочий диапазон от 2,6 до 4,2 В;
- ресурс свыше 1000 циклов;
- высокая теплостойкость;
- диапазон допустимых температур при разряде от -20 до +60 °С, но на морозе запас емкости и уровень токоотдачи временно снижаются;
- незначительный саморазряд – <10% в месяц;
- способность обеспечивать автономное питание разной техники – от компактных электронных устройств, электронных сигарет и медтехники до е-байков и электромобилей.
Как и большинство Li-ion аккумуляторов, модели подвида Li-NCM обычно имеют стандартную цилиндрическую форму. Самые распространенные типоразмеры 18650 и 21700. Их используют по-отдельности или в составе аккумуляторных батарей, которые собирают из одинаковых ячеек при помощи отрезов никелевой полосы и аппарата точечной сварки.
О недостатках Li-NCM ячеек
К минусам NMC батарей относят их предрасположенность к естественному «старению» (постепенное ухудшение рабочих параметров), чувствительность к перезаряду и чрезмерному разряду, склонность к перегреву и возможность возгорания. Эти риски возрастают при механическом повреждении ячеек и неправильном обращении с ними, в частности, при перезаряде или использовании после длительного пребывания в глубоко разряженном состоянии.
Корректное обращение с Li-NCM элементами и четкое соблюдение правил их эксплуатации играют главную роль для их безопасного использования. Основную работу по недопущению опасных состояний в литий-ионных АКБ выполняет BMS плата. Таким электронным контроллером оснащают каждую Li-ion батарею. БМС плата не допускает перезаряда и глубокого разряда, токовых перегрузок, перегрева и других рисков при эксплуатации АКБ. В сочетании с ответственным отношением пользователей это делает NCM аккумуляторы прекрасным выбором для использования в разных приложениях.
Технология LiFePO4
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы используют в виде катодного материала литий-феррофосфат – LiFePO4. Эта особенность обеспечила им замечательные характеристики:
- высокие показатели тепловой и химической стабильности;
- меньшая чувствительность к перезарядам и глубоким разрядам;
- способность эффективно работать в жестких условиях, в т. ч. при высоких и низких температурах, в интенсивном циклическом режиме;
- высокая производительность, ток разряда до 10С;
- стабильное напряжение разряда;
- увеличенный ресурс – минимум 2000 циклов;
- номинальный вольтаж 3,2 В;
- рабочий промежуток от 3 до 3,65 В;
- удельная энергоемкость ≈150 Вт·ч/кг;
- разрешенные температуры при разряде от-30 до +50 °С;
- малый саморазряд – до 3% в год;
- соответствие высоким стандартам безопасности, несклонность к возгоранию даже в экстремальных ситуациях.
По удельной энергоемкости LFP батареи немного уступают NCM моделям – при равных значениях емкости и напряжения литий-железо-фосфатные АКБ крупнее и тяжелее. Зато им нет равных по уровню безопасности, морозостойкости и устойчивости к химической деградации. Что касается форм-фактора, среди LFP аккумуляторов преобладают призматики разных размеров, но есть и цилиндрические ячейки. Часто элементы LiFePO4 предусматривают болтовое соединение с использованием монтажных пластин, что позволяет собирать из них АКБ без применения точечной сварки.
Возможности использования батарей LiFePO4 обширны, но чаще всего ими оснащают складскую и клининговую технику, персональный электротранспорт мощностью от 750 Вт, лодки и другие суда с электромоторами, портативные зарядные станции, системы автономного и резервного питания. Нерационально их использовать только в ситуациях, когда ключевую роль играет сведение к минимуму массы и размеров элементов питания, например, при оснащении дронов.
Сравнительная таблица
В таблице представлены ориентировочные значения основных технических характеристик аккумуляторов LiFePO4 и Li-NCM. У элементов разных брендов они могут различаться, поэтому смотрите точные характеристики в техпаспортах (datasheet).
Критерий |
LiFePO4 |
Li-NCM |
Удельная энергоемкость |
Ниже, около 150 Вт·ч/кг. |
Выше, около 200 Вт·ч/кг. |
Вольтаж (номинал) |
3,2 В |
3,7 В |
Рабочий промежуток |
2,5–3,65 В |
2,6–4,2 В |
Возможные температуры при разряде |
От-30 до +50 °С, с сохранением работоспособности даже при граничных значениях диапазона. |
От -20 до +60 °С, но лучшие токо-емкостные показатели будут при температуре от +15 до +25 °С. |
Ресурс |
>2000 циклов |
>1000 циклов |
Сохранение работоспособности на морозе |
Да |
При температуре ниже -10 °С емкость и токоотдача ощутимо падают из-за замедления химических процессов. |
Разрядные токи |
До 10С |
До 2С |
Пожаробезопасность |
Высокая |
Ниже |
Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду, химической деградации, тепловому разгону |
Высокая |
Ниже |
Экологичность |
Высокая |
Ниже, из-за содержания кобальта. |
Распространенные форм-факторы |
Призматики разных размеров и цилиндрические ячейки. |
Цилиндры стандартных типоразмеров: 18650, 21700 и т.д. Но встречаются и призматики. |
Выводы
В семействе литий-ионных накопителей энергии есть модели с разными типами химии. От формулы катодного материала зависят технические особенности аккумов, их преимущества и оптимальные сферы применения. Так, высокотоковые ячейки подвида Li-NCM отлично подходят для питания разнообразных устройств и техники с интенсивным энергопотреблением, особенно если нужно минимизировать вес и размеры аккумуляторного блока.
Если же требования к массе и габаритам АКБ не такие строгие, а на первый план выходит стабильность и безопасность аккумуляторной батареи, лучшим выбором становится тип химии LiFePO4. Как и в ситуациях, когда ключевую роль играет морозоустойчивость, увеличенный циклический ресурс АКБ, ее выносливость или способность питать оборудование мощностью свыше 750 Вт. В конечном итоге все зависит от того, какие характеристики наиболее важны для конкретного оборудования с учетом условий его эксплуатации.
Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья о том, какой источник бесперебойного питания выбрать для дома.