Dzisiaj istnieje duża liczba baterii z różnymi rodzajami składu chemicznego. Najpopularniejsze obecnie baterie to litowo-jonowe. Do tej grupy należą również akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (żelazofosforanowe). Chociaż wszystkie akumulatory w tej kategorii są zasadniczo podobne pod względem specyfikacji technicznych, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mają swoje unikalne cechy, które odróżniają je od innych akumulatorów wykonanych w technologii litowo-jonowej.
Historia odkrycia baterii litowo-żelazowo-fosforanowej
Wynalazcą akumulatora LiFePO4 jest John Goodenough, który w 1996 roku pracował na Uniwersytecie Teksańskim nad nowym materiałem katodowym do akumulatorów litowo-jonowych. Profesorowi udało się stworzyć materiał, który jest tańszy, ma mniejszą toksyczność i wysoką stabilność termiczną. Wśród mankamentów baterii, w której zastosowano nową katodę, była mniejsza pojemność.
Nikt nie był zainteresowany wynalazkiem Johna Goodenougha, ale w 2003 roku firma A 123 Systems zdecydowała się rozwinąć tę technologię, uznając ją za dość obiecującą. Inwestorami w tę technologię zostało wiele dużych korporacji – Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
Charakterystyka akumulatorów LiFePO4
Napięcie akumulatora żelazofosforanowego jest takie samo jak w przypadku innych akumulatorów litowo-jonowych. Napięcie znamionowe zależy od wymiarów akumulatora (rozmiar, współczynnik kształtu). Dla akumulatorów 18 650 jest to 3,7 V, dla 10 440 (małe paluszki) - 3,2, dla 24 330 - 3,6.
W przypadku prawie wszystkich akumulatorów napięcie stopniowo spada podczas rozładowywania. Jedną z unikalnych cech jest stabilność napięcia podczas pracy z akumulatorami LiFePO4. Baterie wykonane w technologii niklowej (niklowo-kadmowe, niklowo-metalowo-wodorkowe) mają podobne charakterystyki napięciowe.
W zależności od rozmiaru, bateria litowo-żelazowo-fosforanowa może dostarczać napięcie od 3,0 do 3,2 V aż do całkowitego rozładowania. Ta właściwość daje tym akumulatorom więcej korzyści, gdy są stosowane w obwodach, ponieważ praktycznie eliminuje potrzebę regulacji napięcia.
Napięcie pełnego rozładowania wynosi 2,0 V, najniższa zarejestrowana granica rozładowania dla dowolnej baterii litowej. Te baterie są liderami wżywotność, która odpowiada 2000 cyklom ładowania i rozładowania. Ze względu na bezpieczeństwo swojej budowy chemicznej, akumulatory LiFePO4 mogą być ładowane specjalną przyspieszoną metodą delta V, gdy do akumulatora doprowadzany jest duży prąd.
Wiele akumulatorów nie jest w stanie wytrzymać tej metody ładowania, co powoduje ich przegrzanie i zniszczenie. W przypadku akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych zastosowanie tej metody jest nie tylko możliwe, ale wręcz zalecane. Dlatego istnieją specjalne ładowarki przeznaczone specjalnie do ładowania takich akumulatorów. Oczywiście takich ładowarek nie można używać do akumulatorów z inną chemią. W zależności od formatu baterie litowo-żelazowo-fosforanowe w tych ładowarkach mogą być w pełni naładowane w ciągu 15-30 minut.
Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie akumulatorów LiFePO4 oferują użytkownikom akumulatory o ulepszonym zakresie temperatur pracy. Jeśli standardowy zakres pracy akumulatorów litowo-jonowych wynosi od -20 do +20 stopni Celsjusza, to akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mogą doskonale pracować w zakresie od -30 do +55. Ładowanie lub rozładowywanie akumulatora w temperaturach wyższych lub niższych od opisanych może spowodować jego poważne uszkodzenie.
Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe są znacznie mniej podatne na efekt starzenia niż inne baterie litowo-jonowe. Starzenie się to naturalna utrata pojemności w czasie, która jest niezależna od tego, czy bateria jest używana, czyjest na półce. Dla porównania, wszystkie akumulatory litowo-jonowe co roku tracą około 10% pojemności. Fosforan litowo-żelazowy traci tylko 1,5%.
Wadą tych akumulatorów jest ich mniejsza pojemność, która jest o 14% mniejsza (około) niż w przypadku innych akumulatorów litowo-jonowych.
Bezpieczeństwo baterii żelazofosforanowych
Ten typ baterii jest uważany za jeden z najbezpieczniejszych spośród wszystkich istniejących typów baterii. Akumulatory litowo-fosforanowe LiFePO4 mają bardzo stabilny skład chemiczny i są w stanie dobrze wytrzymać duże obciążenia podczas rozładowania (przy pracy z niską rezystancją) i ładowania (podczas ładowania akumulatora dużymi prądami).
Ze względu na to, że fosforany są chemicznie bezpieczne, baterie te są łatwiejsze do wyrzucenia po wyczerpaniu swoich zasobów. Wiele baterii zawierających niebezpieczne substancje chemiczne (takie jak litowo-kob altowe) musi zostać poddanych dodatkowym procesom recyklingu w celu wyeliminowania ich zagrożenia dla środowiska.
Ładowanie baterii litowo-żelazowo-fosforanowych
Jednym z powodów komercyjnego zainteresowania inwestorów chemią żelazofosforanów była możliwość szybkiego ładowania, wynikająca z jego stabilności. Natychmiast po zorganizowaniu transportu taśmowego akumulatorów LiFePO4 zostały one ustawione jako akumulatory, które można szybko naładować.
W tym celu zostały wyprodukowane specjalne ładowarki. Jak już wspomniano powyżej, takich ładowarek nie można używać z innymi akumulatorami, ponieważ spowoduje to ich przegrzanie i poważne uszkodzenieim.
Specjalna ładowarka do tych akumulatorów może je naładować w 12-15 minut. Akumulatory żelazofosforanowe można również ładować za pomocą konwencjonalnych ładowarek. Istnieją również połączone opcje ładowarek z obydwoma trybami ładowania. Najlepszą opcją byłoby oczywiście użycie inteligentnych ładowarek z wieloma opcjami kontroli procesu ładowania.
Urządzenie baterii litowo-żelazowo-fosforanowej
Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy LiFePO4 nie ma specjalnych cech w strukturze wewnętrznej w porównaniu z jego odpowiednikami w technologii chemicznej. Zmianie uległ tylko jeden element - katoda z fosforanu żelaza. Materiałem anodowym jest lit (wszystkie baterie litowo-jonowe mają anodę litową).
Działanie każdego akumulatora opiera się na odwracalności reakcji chemicznej. W przeciwnym razie procesy zachodzące wewnątrz akumulatora nazywane są procesami utleniania i redukcji. Każda bateria składa się z elektrod - katody (minus) i anody (plus). Ponadto wewnątrz każdej baterii znajduje się separator - porowaty materiał impregnowany specjalną cieczą - elektrolitem.
Gdy akumulator jest rozładowany, jony litu przechodzą przez separator od katody do anody, wydzielając nagromadzony ładunek (utlenianie). Gdy akumulator jest ładowany, jony litu poruszają się w przeciwnym kierunku od anody do katody, gromadząc ładunek (odzysk).
Typy baterii litowo-żelazowo-fosforanowych
Wszystkie typy baterii w tej chemii można podzielić na cztery kategorie:
- KompletnyBateria.
- Duże komórki w formie równoległościanów.
- Małe ogniwa w formie równoległościanów (pryzmaty - baterie LiFePO4 przy 3,2 V).
- Małe ogniwa (paczki).
- Baterie cylindryczne.
Baterie i ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe mogą mieć różne napięcia znamionowe, od 12 do 60 woltów. Pod wieloma względami przewyższają one tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe: czas cyklu jest znacznie dłuższy, waga jest kilkakrotnie mniejsza, a ich ładowanie jest kilkakrotnie szybsze.
Baterie cylindryczne w tej chemii są używane zarówno osobno, jak i w łańcuchu. Wymiary tych cylindrycznych baterii są bardzo różne: od 14 500 (typ palcowy) do 32 650.
Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe
Na szczególną uwagę zasługują akumulatory żelazofosforanowe do rowerów i rowerów elektrycznych. Wraz z wynalezieniem nowej katody żelazowo-fosforanowej, wraz z innymi typami akumulatorów opartych na tej chemii, pojawiły się specjalne akumulatory, które ze względu na ulepszone właściwości i mniejszą wagę można wygodnie stosować nawet w zwykłych rowerach. Takie akumulatory od razu zyskały popularność wśród fanów unowocześniania swoich rowerów.
Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są w stanie zapewnić kilka godzin beztroskiej jazdy na rowerze, co jest godną konkurencją dla silników spalinowych, które w przeszłości były również często instalowane w rowerach. Zwykle dla danychdo celów, używane są baterie 48v LiFePO4, ale można kupić baterie na 25, 36 i 60 woltów.
Zastosowanie baterii żelazofosforanowych
Rola baterii w tej chemii jest jasna bez komentarza. Pryzmaty mają różne zastosowania - baterie LiFePO4 3, 2 v. Większe ogniwa są wykorzystywane jako elementy systemów buforowych dla energetyki słonecznej i turbin wiatrowych. Akumulatory żelazofosforanowe są aktywnie wykorzystywane w budowie pojazdów elektrycznych.
Małe płaskie baterie są używane w telefonach, laptopach i tabletach. Baterie cylindryczne o różnych kształtach są używane do broni ASG, papierosów elektronicznych, modeli sterowanych radiowo itp.
