Литий-железофосфат: новые аккумуляторы-долгожители от компании EEMB
8 апреля 2014
Относительно недавно появившиеся на рынке литий-железофосфатные аккумуляторы несколько проигрывают литий-полимерным по максимальной удельной плотности энергии. Однако это окупается практически четырехкратным преимуществом по количеству циклов «заряд-разряд». Компания EEMB выпускает широкую линейку Li-FePO4-аккумуляторов для различных применений.
В настоящее время происходит активное развитие систем хранения данных (серверных/дата-центров), различного телекоммуникационного оборудования, систем контроля доступа и охранно-пожарных систем, альтернативной энергетики, электротранспорта и других промышленных систем и объектов, требующих автономного электропитания. Для обеспечения электропитанием указанных систем все более востребованными становятся различного рода вторичные химические источники тока, или аккумуляторы.
В большинстве приложений в качестве вторичных источников тока до сих пор применяются свинцово-кислотные аккумуляторы, как имеющие наиболее отлаженную технологию производства и низкую удельную стоимость энергии.
Многие из указанных выше областей применения аккумуляторов характеризуются потреблением большой и даже очень большой мощности – от единиц до нескольких сотен киловатт (альтернативная энергетика, электротранспорт, дата-центры). Отключения основной сети электропитания носят случайный характер и могут происходить с различными интервалами времени, поэтому для бесперебойной работы требуется весьма большой запас энергии. Конечно, на важных объектах время отключения от основной электросети регламентировано и обеспечивается выполнением дополнительных линий резервного питания и/или дизельной установкой. Например, если рассмотреть схему построения электропитания серверного оборудования, то она будет включать в себя подсистему гарантированного электропитания (ПГЭ) с двумя вводами от разных подстанций и отдельную дизельную установку (рисунок 1). Дополнительно в схему входит подсистема бесперебойного электропитания (ПБЭ), включающая два комплекта источников бесперебойного питания (основной и резервный каналы UPS). Каждый из источников бесперебойного питания оснащен комплектом аккумуляторных батарей на требуемую энергию, а учитывая мощность, потребляемую дата-центрами (до сотен кВт), становится понятной важность высокой удельной энергоемкости и длительного срока службы используемых аккумуляторов. Еще более значимым этот параметр становится, если аккумуляторы используются на электротранспорте, поскольку транспортировка «лишних» килограммов приводит только к бесполезному расходованию энергии и снижению общего КПД. И здесь распространенные свинцово-кислотные аккумуляторы существенно проигрывают другим типам аккумуляторов (на основе лития). Проигрывают свинцово-кислотные аккумуляторы и по содержанию вредных веществ, когда требуется их утилизация, а утилизировать их приходится в огромных количествах.
Если посмотреть на историю развития химических источников тока, мы заметим, что внимание разработчиков уделялось и уделяется, в основном, нескольким показателям: увеличению удельной энергоемкости и срока службы, снижению массогабаритных характеристик и стоимости, повышению экологичности и безопасности. Перечисленные параметры являются наиболее важными по отношению ко всем химическим источникам тока.
Аккумуляторы – перезаряжаемые источники тока, и для них одним из основных параметров является допустимое количество циклов «заряд-разряд», так как именно этим параметром определяется срок эксплуатации аккумулятора, а соответственно – частота обслуживания (регламентная замена аккумуляторов) и надежность системы в целом. Наибольшим количеством циклов «заряд-разряд» в настоящее время обладают литий-железофосфатные аккумуляторы (Li-FePO4) [1]. Некоторые основные параметры кислотно-свинцовых и литий-железофосфатных аккумуляторов приведены в таблице 1. Указанное в таблице значение циклов заряд-разряд для Li-FePO4 даже может быть увеличено в 2…4 раза, если осуществлять зарядку не дожидаясь полной разрядки аккумулятора. Это можно делать, так как рассматриваемый тип аккумуляторов не обладает эффектом памяти.
Таблица 1. Обобщенные сравнительные характеристики аккумуляторов
Тип аккумулятора |
Рабочее напряжение (ячейки), В | Диапазон рабочей температуры (разряд), °С | Количество циклов «заряд-разряд» | Ток разряда (макс.), С | Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг (Вт*ч/л) |
Свинцово-кислотные | 2 | -30…45 | < 500 | до 10 | до 60 (100) |
Литий-железофосфатные (Li-FePO4) | 3.2 | -20…60 | > 2000 | до 10 | до 140 (270) |
Литий-железофосфатные аккумуляторы пока еще являются новым типом продукции. Как изделия, доступные и пригодные для промышленного применения, они впервые появились на рынке 2003 году. Основной вклад в развитие данной технологии внесла американская компания 123 Systems.
Литий-железофосфатный аккумулятор был разработан как дальнейшее развитие литий-ионного аккумулятора, но при этом он характеризуется меньшей стоимостью и значительно более длительным сроком службы. Кроме того, элементы данного типа аккумулятора химически и термически стабильны, поэтому он значительно безопасней в эксплуатации, чем предшественник. Конечно, нельзя сказать, что литий-железофосфатный аккумулятор обладает максимальной удельной плотностью энергии. Он немного проигрывает по этому параметру литий-полимерным аккумуляторам (рисунок 2), но этот недостаток с запасом окупается практически четырехкратным перевесом в количестве циклов «заряд-разряд» (сроком службы). За время работы литий-железофосфатного аккумулятора можно сменить три-четыре литий-полимерных, а он будет продолжать работать.
Следует сказать, что среди всего многообразия существующих и применяемых на сегодняшний день аккумуляторов невозможно найти абсолютного лидера по всем параметрам. В любом случае, всегда приходится руководствоваться тем, что в данном применении является наиболее важным, и, как правило, мы вынуждены выбирать некоторое компромиссное решение между техническими параметрами, стоимостью и безопасностью.
В настоящее время литий-железофосфатные аккумуляторы выпускаются во многих странах, в том числе и в России, но основное количество производителей сосредоточено в Китае. Это объясняется тем, что именно в этой стране находятся наибольшие запасы лития. На российском рынке представлена продукция различных производителей, среди которых заметную роль играет известная компания EEMB.
История работы компании EEMB в сфере разработки и изготовления химических источников тока насчитывает около 20 лет. Все это время компания специализируется на изготовлении именно литиевых первичных и вторичных источников тока различных электрохимических систем (Li-SOCl2, Li-MnO2, Li-SO2, Li-Ion, Li-Polimer).
Все выпускаемые аккумуляторы производятся как в виде единичных элементов, так и в виде батарей с последовательно-параллельным соединением элементов (ячеек). В зависимости от потребностей в конкретном приложении (емкость/напряжение), можно заказать изготовление специальных батарей из отдельных ячеек, также можно заказать требуемый размер ячеек (важно выполнить условие: требуемая удельная энергетическая плотность не должна превышать достигнутой – 250…270 Вт·ч/л).
Линейка продукции литий-железофосфатных аккумуляторов, выпускаемых компанией, делится на несколько групп, различающихся между собой электрическими и конструктивными параметрами:
- отдельные ячейки в виде модулей;
- батареи для телекоммуникационного оборудования (BTS);
- батареи для источников бесперебойного питания и альтернативной энергетики (UPS);
- батареи для электротранспорта.
Внешний вид некоторых аккумуляторов, выпускаемых компанией EEMB, представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Внешний вид Li-FePO4-аккумуляторов производства компании EEMB |
Используя отдельные ячейки, некоторые из которых представлены в таблице 2, можно заказать требуемую под конкретное применение конфигурацию аккумуляторной батареи. В таблице 2 приведены ячейки с повышенным значением емкости. На самом деле эти ячейки изготавливаются и с меньшими размерами и емкостью (например, с размерами от 3.8х55х90 мм и емкостью от 1.25 А·ч) [2].
Таблица 2. Основные параметры отдельных ячеек Li-FePO4
Модель | Номинальное напряжение, В |
Номинальная емкость, Ач | Габариты, мм | Вес, кг | ||
Толщина | Ширина | Длина | ||||
3.2 В, 100 А·ч | 3.2 | 100 | 60 | 165 | 280 | 3.75 |
3.2 В, 40 А·ч | 3.2 | 40 | 60 | 95 | 280 | 2.0 |
Батареи для базовых станций телекоммуникационного оборудования приведены в таблице 3. Среди производимых компанией литий-железофосфатных аккумуляторов этот тип продукции является наиболее энергоемким. Отдаваемая энергия в стандартном исполнении батарей достигает 9.6 кВт·ч.
Таблица 3. Основные параметры батарей для телекоммуникационного оборудования
Наименование | Напряжение, В | Емкость, Aч | Вес, кг |
LP8867220F-4S5P | 12 | 50 | 6 |
LP8867220F-4S10P | 12 | 100 | 22 |
LP8867220F-16S10P | 48 | 100 | 40 |
LP8867220F-16S20P | 48 | 200 | 78 |
Батареи для источников и систем бесперебойного питания (UPS/ИБП) представлены в таблице 4, а их внешний вид – на рисунке 3а. Батареи изготавливаются в типоразмере стандартного свинцово-кислотного аккумулятора, но имеют меньший вес и\или большую емкость. Также батареи могут изготавливаться в стандарте 19” Rack-стойки высотой 1U или 3U.
Таблица 4. Основные параметры батарей для ИБП
Наименование | Напряжение, В | Емкость, Ач | Вес, кг |
LP8867220F-4S | 12 | 10 | 1.3 |
LP8867220F-4S2P | 12 | 20 | 2.5 |
LP8867220F-4S3P | 12 | 30 | 3.5 |
LP8867220F-8S2P | 24 | 20 | 4.5 |
Некоторые основные параметры батарей для электротранспорта можно увидеть в таблице 5 и на рисунке 3б, в, г. Это батареи для велосипедов с электроприводом (24/36 В), батареи для электрических мотоциклов (48 В) и скутеров (9.6/12.8/16 В).
Таблица 5. Основные параметры батарей для электротранспорта
Наименование | Напряжение, В | Емкость, Ач | Назначение |
LP8867220F-8S24V | 24 | 10 | Велосипеды с электроприводом |
LP8867220F-12S | 36 | 10 | |
LP8867220F-3P12S | 36 | 30 | |
LP7567220F-16S48V | 48 | 9 | Электрические мотоциклы |
LP7567220F-2P16S | 48 | 18 | |
LP7567220F-4P16S | 48 | 36 | |
LIP18650-3S9.6V | 9.6 | 1.4 | Скутеры |
LIP18650-4S | 12.8 | 1.4 | |
LIP18650-5S | 16 | 1.4 |
При разряде литий-железофосфатные аккумуляторы имеют очень хорошую стабильность напряжения до тех пор, пока элемент не разрядится полностью, затем напряжение резко уменьшается. Например, на рисунке 4 приведены усредненные разрядные кривые, снятые при различных токах разряда (1…10С) при комнатной температуре. Крайне важно не допускать разряд ячейки менее 2.0 В, иначе произойдут необратимые процессы, которые приведут к резкой потере емкости. Этот контроль следует возложить на электронную схему или при заказе аккумулятора указать на наличие схемы защиты в самом аккумуляторе. Компания EEMB производит аккумуляторы как с наличием, так и с отсутствием защитной схемы. Наличие защитной схемы (от разряда и превышения напряжения заряда) кодируется в наименовании аббревиатурой PCM в конце (например, LP385590F-PCM).
Компания EEMB проводит тщательное тестирование и испытания своей продукции. На рисунке 5 приведены экспериментальные зависимости количества циклов «заряд-разряд» от величины разрядного тока и глубины разряда. Из рисунка 5 видно, что при полном разряде 20%-ная потеря емкости аккумулятора происходит при количестве циклов не менее 2000 (ток разряда 1C). Если глубину разряда ограничить на уровне 80% в каждом цикле, то при проведении примерно 1500 подобных циклов снижения емкости аккумулятора от первоначальной величины практически не наблюдалось (ток разряда 0.5С).
Литий-железофосфатные аккумуляторы характеризуются низким током саморазряда и крайне низкой скоростью снижения емкости. По исследованиям ожидается, что за 15 лет хранения полностью заряженного аккумулятора при температуре 60°С снижение емкости будет на уровне 23…25%.
Поведение рассматриваемого типа аккумуляторов при низких температурах иллюстрирует рисунок 6. Видно, что при температуре -20°С и при разряде током 0.2С емкость аккумулятора снижается примерно на 40%. Это, конечно, нужно учитывать при выборе аккумулятора для работы на низких температурах, но, с другой стороны, это является проблемой практически всех типов аккумуляторов. Тем не менее, литий-железофосфатные аккумуляторы выдерживают температуру хранения до -40°С.
Для работы при низких температурах компания EEMB выпускает специальные низкотемпературные аккумуляторы (-40…60°С), но, поскольку они изготавливаются на основе литий-полимерной электрохимической системы, то в данной статье мы их рассматривать не будем.
Как и все литиевые аккумуляторы, данный тип аккумулятора также чувствителен к режиму заряда, а именно – к превышению зарядного напряжения. При заряде необходимо следить, чтобы напряжение не превышало величины 3.65 В на ячейку. Этот контроль также возлагается на схему защиты, о которой говорилось выше. Причем стандартный ток заряда выбирается, как правило, равным половинной емкости аккумулятора, и зарядка осуществляется в течение двух часов (заряд постоянным током). Максимальный ток заряда – до 1С (зарядка в течение 1 ч). Можно осуществлять зарядку и постоянным напряжением, в этом случае окончанием зарядки можно считать снижение зарядного тока до 1/50 от емкости аккумулятора.
Для производителей аккумуляторов понимание факторов, влияющих на их срок службы, является жизненно важным. Здесь необходимо учитывать гарантийные обязательства, стоимость изделия и другие эксплуатационные параметры. Если предложить продукцию с низким гарантийным сроком или с высокой стоимостью, то потребитель откажется от нее. Если переоценить срок службы изделия, то можно понести убытки, заменяя вышедшие из строя аккумуляторы. Поэтому одной из самых больших проблем при разработке и производстве аккумуляторов является правильное определение его срока службы и обеспечение при этом невысокой стоимости.
Компания EEMB гарантирует на литий-железофосфатные аккумуляторные батареи срок службы не меньше 2000 циклов «заряд-разряд», что и является наиболее важным в применении данного вида аккумуляторов.
Компания EEMB выпускает LiFePO4-батареи, которые обеспечивают надежность и экономическую эффективность систем с бесперебойным питанием (UPS/ИБП). Батареи играют существенную и важную роль в системе бесперебойного питания, так что выбор правильного аккумулятора для подобной системы является основополагающим. В данном случае батарея LiFePO4 может обеспечить оптимальное решение. По отношению к свинцово-кислотному аккумулятору, применение литий-железофосфатного аккумулятора позволяет сократить на 2/3 вес и уменьшить объем, что способствует созданию достаточно компактных и легких систем бесперебойного питания
Литература
- komar.bitcheese.net
- Миронов С. Автономное электропитание на все случаи жизни. Обзор литиевых батарей и аккумуляторов. Электронные компоненты №8.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
Наши информационные каналы