Обзор LiFePO4

• История создания LiFePO4
• Как устроены LFP аккумуляторы
• Особенности зарядки
• Виды LiFePO4 аккумуляторов
• LiFePO4 аккумуляторы, обзор характеристик
• Аккумуляторные батареи LiFePO4
• Использование литий-феррофосфатных АКБ
• Особенности хранения и использования

Несмотря на разнообразие элементов питания с разным химическим составом, литий-железо-фосфатные аккумуляторы по характеристикам стойко удерживают первенство. Удельный вес у них на 14% выше, чем у остальных Li-ion аккумуляторов той же емкости, а номинальное напряжение – ниже (3–3,3 В). Зато LFP аккумуляторы имеют большой циклический ресурс (минимум 2000 циклов до момента снижения емкости на 20%), отличаются морозоустойчивостью и максимальной безопасностью в эксплуатации.

Немаловажные характеристики LiFePO4 аккумуляторов 32650 и остальных типоразмеров – это:

• широкий температурный диапазон – от-30 до +50 °С;
• стабильность напряжения в процессе разряда;
• низкий саморазряд;
• отсутствие риска взрыва или возгорания при механическом повреждении;
• безопасность и стабильность химической структуры;
• устойчивость к высоким нагрузкам при заряде и разряде;
• возможность ускоренной зарядки большим током – в зависимости от типоразмера аккумуляторы LiFePO4 способны восполнять заряд за 15–30 минут;
• меньшая подверженность эффекту старения, безвозвратного снижения емкости с течением времени – всего 1,5% в год против 10% у остальных Li-ion элементов;
• облегченная утилизация – благодаря химической безопасности фосфатов.

История создания LiFePO4

Литий-феррофосфатный аккумулятор изобрел Джон Гуденаф – профессор из Техаса, занятый в 1996 году поисками инновационного катодного материала для Li-ion элементов. Он создал катодный материал, отличающийся от аналогов сниженной токсичностью и увеличенной термостойкостью. «Минусом» нового типа аккумуляторов была меньшая удельная емкость.

Открытие профессора изначально не привлекло к себе внимания, но в 2003 году технологией и ее дальнейшим развитием заинтересовался производитель A 123 Systems. Инвесторами нового проекта стали Qualcomm, Sequoia Capital, Motorola и другие корпорации.

Как устроены LFP аккумуляторы

Элементы LiFePO4 устроены по аналогии с остальными литиевыми элементами, но в отличие от них имеют литий-феррофосфатный катод. Анод используется стандартный, графитовый. Внутри протекают обратимые химические процессы – окислительно-восстановительные реакции. Основными элементами аккумулятора являются феррофосфатный катод, графитовый анод и пропитанный электролитом сепаратор.

В процессе разряда элемента питания ионы лития проходят через пористый сепаратор от катода к аноду и при этом отдают накопленный заряд – происходит окисление. В процессе заряда аккума ионы лития проходят через сепаратор от анода к катоду и аккумулируют заряд – происходит восстановление.

Особенности зарядки

Феррофосфатные элементы питания благодаря своей стабильности позволяют использовать быструю зарядку большими токами. Для них производятся специальные зарядные устройства, несовместимые с остальными аккумуляторами из-за риска их перегрева и выхода из строя. Но заряжать LFP аккумуляторы можно и зарядными устройствами для Li-ion, и универсальными зарядниками. Отлично подходят для зарядки таких элементов и «интеллектуальные» ЗУ с многочисленными опциями, способные регулировать процесс подзарядки.

Виды LiFePO4 аккумуляторов

С таким типом химии производятся разные элементы питания:

• аккумуляторы в форме параллелепипедов – «призматики»;
• плоские элементы питания – «пакеты»;
• ячейки цилиндрической формы.

В отличие от привычной маркировки батареек символами АА и ААА, литиевые элементы питания имеют собственную систему форм-факторов. Типоразмеры цилиндрических аккумуляторов имеют 2-значное обозначение, в котором первые 2 цифры указывают на диаметр элемента (в мм), 2 последующие – на его высоту. В некоторых обозначениях в конце стоит цифра 5. Она соответствует половине миллиметра при обозначении высоты аккумулятора.

Среди размеров аккумуляторов LiFePO4 цилиндрической формы распространены форм-факторы: 14430, 14505, 17335, 18500, 18650, 22650, 26650, 32600, 32650, 32700, 32900, 38120, 40160, 42120, 46160. У призматических элементов маркировка состоит из их линейных размеров. Например, аккумулятор призматической формы с размерами 27х148х205 мм имеет форм-фактор 27148205.

LiFePO4 аккумуляторы, обзор характеристик

Емкость элементов питания и собранных из них батарей зависит от размеров. Например, емкостные характеристики LiFePO4 32700 и 14430 будут разными. Но остальные рабочих параметры у всех литий-феррофосфатных аккумуляторов идентичны:

• номинальное напряжение составляет 3,2 В;
• пиковое напряжение составляет 3,65 В;
• напряжение в разряженном состоянии (критический минимум) – 2 В;
• минимальное рабочее напряжение (под нагрузкой) – 2,8 В;
• рабочий ресурс – более 2000 циклов перезарядки;
• саморазряд при t=15–18 °C – до 5% в год.

Аккумуляторные батареи LiFePO4

Для получения высокой емкости и напряжения, например, для использования в электроскутерах, мопедах и велосипедах, из литий-железо-фосфатных аккумуляторов создают аккумуляторные батареи. Их собирают путем последовательного и параллельного соединения ячеек в зависимости от требуемых рабочих параметров АКБ. При параллельном соединении суммируется емкость, а напряжение остается неизменным. При последовательном соединении емкость – константа, а напряжение элементов суммируется.

Ячейки соединяются друг с другом по выбранной схеме и соединяются при помощи точечной сварки. Для сборки в единую батарею используются элементы с идентичными характеристиками – равной емкости, от одного производителя и по возможности из одной партии. Толщина перемычек для LiFePO4 аккумуляторов обычно составляем 1 мм, ширина – 10 мм. Для стабильной и безопасной работы батареи используется BMS плата с функциями балансировки и защиты от высокого напряжения и тока.

Использование литий-феррофосфатных АКБ

Элементы питания этой категории отлично подходят для комплектации персонального электротранспорта – велосипедов, трициклов, квадроциклов, скутеров, мопедов, мотоциклов, электромобилей, гольфкаров. Особенно они актуальны для транспорта, используемого круглый год или в жестких условиях. Широко используются батареи из литий-железо-фосфатных аккумуляторов для лодочных электромоторов, поломоечных машин, электрических погрузчиков, пылесосов, инвалидных колясок и другой техники.

Литий-феррофосфатные аккумуляторы входят в состав аккумуляторных электростанций, систем аварийного электроснабжения, автономных источников питания, буферных систем для ветрогенераторов и солнечных панелей. Цилиндрические элементы используются для питания медицинского оборудования и других приборов. Крупные батареи поддерживают работоспособность автономных устройств в больницах, банках, метеостанциях и других объектах.

Особенности хранения и использования

Перед длительным хранением литий-железо-фосфатные аккумуляторы рекомендуется зарядить до 40–60%. Этот уровень заряда – оптимальный для их хранения. Держать элементы питания нужно в сухом прохладном месте, исключающем риск их перегрева.

При эксплуатации LFP аккумуляторов необходимо следовать рекомендациям производителя – соблюдать температурный режим, избегать перезаряда и глубокого разряда, не допускать механических повреждений, не использовать аккумуляторами со вздутиями или другими признаками неисправности.

Заряжать АКБ и элементы питания рекомендуется после каждого использования, не дожидаясь значительного снижения уровня заряда. У литиевых аккумуляторов нет эффекта памяти, поэтому разряжать их «в ноль» перед зарядкой не нужно. Аккумуляторы недопустимо долго хранить в разряженном состоянии, иначе они деградируют и приходят в негодность.

Перейти в каталог с товарами можно по ссылке: LifePO4 аккумуляторы российского производства.

Читайте в предыдущей статье нашего блога о литий-ионных аккумуляторах напряжением 3,7 В.