Литий-железо-фосфатный аккумулятор

В отчетах Tesla за третий квартал 2021 года было объявлено о переходе на литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи в качестве нового стандарта для автомобилей компании. Но что же такое LiFePO4-батареи?

НЬЮ-ЙОРК, США, 26 мая 2022 г. /EINPresswire.com / — Являются ли они лучшей альтернативой литий-ионным батареям? Чем эти батареи отличаются от других?

Введение в литий-железо-фосфатные батареи

Литий-железо-фосфатный (LFP) аккумулятор — это литий-ионный аккумулятор с более высокой скоростью зарядки и разрядки. Это перезаряжаемый аккумулятор, в котором катодом является LiFePO4, а анодом — графитовый углеродный электрод с металлической подложкой.

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи имеют более низкую плотность энергии, чем литий-ионные батареи, и более низкое рабочее напряжение. Они отличаются низкой скоростью разряда с горизонтальными кривыми и более безопасны, чем литий-ионные батареи. Эти батареи также известны как литий-железо-фосфатные батареи.

Изобретение литий-железо-фосфатных (LiFePO4) батарей

Литий-железо-фосфатные батареи были изобретены Джоном Б. Гуденафом и Арумугамом Мантирамом. Они одними из первых определили материалы, используемые в литий-ионных батареях. Анодные материалы не идеальны для литий-ионных батарей из-за их склонности к мгновенному короткому замыканию.

Ученые обнаружили, что катодные материалы превосходят по своим характеристикам катоды литий-ионных батарей. Это особенно заметно в вариантах батарей на основе LiFePO4. Они повышают стабильность и проводимость, а также улучшают ряд других параметров.

В наши дни литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи встречаются повсюду и находят различное применение, в том числе в лодках, солнечных батареях и транспортных средствах. LiFePO4 батареи не содержат кобальта и стоят дешевле большинства аналогов. Они нетоксичны и имеют более длительный срок хранения.

Технические характеристики литий-железо-фосфатных (LFP) батарей -

Функции систем управления батареями в литий-железо-фосфатных батареях

Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи состоят не только из соединенных между собой элементов; в них интегрирована система, обеспечивающая поддержание заряда батареи в безопасных пределах. Система управления батареей (BMS) защищает, контролирует и отслеживает состояние батареи в рабочих условиях, обеспечивая безопасность и продлевая срок ее службы.

Функции систем управления батареями в литий-железо-фосфатных батареях (LFP) -

Несмотря на то, что литий-железо-фосфатные элементы более устойчивы к перенапряжению, они, тем не менее, подвержены перенапряжению во время зарядки, что снижает производительность. Материал, используемый для катода, может потенциально ухудшаться и терять свою стабильность. Система управления батареей (BMS) регулирует выходную мощность каждого элемента и обеспечивает поддержание максимального напряжения батареи.

По мере деградации электродных материалов серьезной проблемой становится пониженное напряжение. Если напряжение какой-либо ячейки падает ниже заданного порогового значения, система управления батареей (BMS) отключает батарею от цепи. Она также служит резервным источником питания в случае перегрузки по току и отключает свою работу при коротком замыкании.

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи против литий-ионных батарей

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи не подходят для носимых устройств, таких как часы. Их плотность энергии ниже, чем у любых других литиевых батарей. Однако они идеально подходят для солнечных энергетических систем, автодомов, гольф-каров, рыболовных лодок и электромотоциклов.

★Одно из главных преимуществ этих батарей — их длительный срок службы.

Эти батареи могут работать более чем в 4 раза дольше, чем другие. Они безопаснее и могут разряжаться до 100%, что означает, что их можно использовать в течение более длительного периода времени.

Ниже приведены дополнительные причины, по которым эти батареи являются лучшей альтернативой литий-ионным батареям.

★Низкая стоимость

Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи состоят из железа и фосфора, добываемых в огромных масштабах, и являются недорогими. По оценкам, стоимость LFP-батарей на 70 процентов ниже за килограмм, чем у никельсодержащих NMC-батарей. Их химический состав обеспечивает ценовое преимущество. Самые низкие зарегистрированные цены на элементы LFP-батарей впервые опустились ниже 100 долларов за кВт⋅ч в 2020 году.

★Незначительное воздействие на окружающую среду
Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи не содержат никеля или кобальта, которые являются дорогостоящими и оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Эти батареи являются перезаряжаемыми, что свидетельствует об их экологичности.

★Повышение эффективности и производительности
Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи известны своим длительным сроком службы, что делает их популярным выбором для применений, требующих надежной и стабильной выдачи электроэнергии в течение длительного времени. Эти батареи демонстрируют более медленные темпы потери емкости, чем другие литий-ионные батареи, что помогает сохранить их производительность в долгосрочной перспективе. Кроме того, они имеют более низкое рабочее напряжение, что приводит к меньшему внутреннему сопротивлению и более высокой скорости заряда/разряда.

★Повышенная безопасность и устойчивость
Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи термически и химически стабильны, поэтому они менее склонны к взрывам или возгораниям. LFP выделяют в шесть раз меньше тепла, чем никельсодержащие никель-металлгидридные (NMC) батареи. Поскольку связь Co-O в LFP-батареях прочнее, атомы кислорода высвобождаются медленнее при коротком замыкании или перегреве. Кроме того, в полностью заряженных элементах литий не остается, что делает их очень устойчивыми к потере кислорода по сравнению с экзотермическими реакциями, наблюдаемыми в других литиевых элементах.

★Маленький и легкий
Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи почти на 50% легче, чем литий-марганцево-оксидные (LFP) батареи. Они до 70% легче, чем свинцово-кислотные батареи. Использование LiFePO4 батареи в транспортном средстве позволяет экономить топливо и повышает маневренность. Кроме того, они небольшие и компактные, что позволяет экономить место на скутере, лодке, автодоме или в промышленном оборудовании.

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи против нелитиевых батарей
Нелитиевые батареи обладают рядом преимуществ, но, учитывая потенциал новых литий-железо-фосфатных батарей, в среднесрочной перспективе их, вероятно, заменят, поскольку старые технологии дороги и менее эффективны.

☆Свинцово-кислотные аккумуляторы
Свинцово-кислотные аккумуляторы на первый взгляд могут показаться экономичными, но в долгосрочной перспективе они оказываются дороже. Это связано с тем, что они требуют более частого обслуживания и замены. Литий-железо-фосфатный аккумулятор прослужит в 2-4 раза дольше без обслуживания.

☆Гелевые батареи
Гелевые батареи, как и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи, не требуют частой подзарядки и не теряют заряд во время хранения. Однако гелевые батареи заряжаются медленнее. Во избежание повреждения их необходимо отключать сразу после полной зарядки.

☆АГМ-аккумуляторы
В то время как AGM-аккумуляторы подвержены высокому риску повреждения при разряде ниже 50% емкости, литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно полностью разрядить без риска повреждения. Кроме того, поддерживать их работоспособность довольно сложно.

Области применения литий-железо-фосфатных аккумуляторов
Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи имеют множество ценных применений, в том числе:

●Рыболовные лодки и каяки: Вы сможете проводить больше времени на воде благодаря меньшему времени зарядки и более длительному времени работы. Меньший вес обеспечивает более легкое управление и дополнительную скорость во время напряженных рыболовных соревнований.

●Мобильные скутеры и мопеды: отсутствие лишнего груза, замедляющего движение. Заряжайте аккумулятор до уровня ниже полного для спонтанных поездок, не опасаясь его повреждения.

●Солнечные конфигурации: Берите с собой легкие литий-железо-фосфатные батареи, куда бы вас ни завела жизнь (даже в горы или вдали от цивилизации), чтобы использовать энергию солнца.

●Коммерческое применение: Это самые безопасные и надежные литиевые батареи, что делает их идеальными для промышленного применения, например, в поломоечных машинах, подъемных платформах и многом другом.

Кроме того, литий-железо-фосфатные батареи обеспечивают питанием множество других устройств, таких как фонарики, электронные сигареты, радиооборудование, аварийное освещение и другие приборы.

Возможности реализации широкомасштабных LFP-модулей
Хотя литий-железо-фосфатные (LFP) батареи дешевле и стабильнее, чем альтернативные варианты, плотность энергии до сих пор являлась существенным препятствием для их широкого распространения. LFP-батареи имеют гораздо более низкую плотность энергии, составляющую от 15 до 25%. Однако ситуация меняется благодаря использованию более толстых электродов, подобных тем, что применяются в произведенной в Шанхае модели Model 3, плотность энергии которой составляет 359 Вт·ч/литр.

Благодаря длительному сроку службы литий-железо-фосфатные (LFP) батареи обладают большей ёмкостью, чем литий-ионные батареи сопоставимого веса. Это означает, что со временем плотность энергии этих батарей будет становиться всё более схожей.

Еще одним препятствием для массового внедрения является доминирование Китая на рынке благодаря множеству патентов на LFP. По мере истечения срока действия этих патентов высказываются предположения о локализации производства LFP, как и автомобильного производства.

Крупные автопроизводители, такие как Ford, Volkswagen и Tesla, все чаще используют эту технологию, заменяя никелевые или кобальтовые компоненты. Недавнее объявление Tesla в квартальном отчете — это только начало. Tesla также кратко рассказала о своем аккумуляторном блоке 4680, который будет обладать более высокой плотностью энергии и запасом хода. Также возможно, что Tesla будет использовать конструкцию «ячейка-блок», чтобы разместить больше ячеек и обеспечить более низкую плотность энергии.

Несмотря на свой возраст,ЛФПСнижение стоимости батарей может иметь решающее значение для ускорения массового внедрения электромобилей. К 2023 году ожидается, что цены на литий-ионные батареи приблизятся к 100 долларам за кВт⋅ч. Литий-железо-фосфатные батареи могут позволить автопроизводителям делать акцент на таких факторах, как удобство или время зарядки, а не только на цене.