Литий-железофосфат: новые аккумуляторы-долгожители от компании EEMB

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.

Рис. 1. Система электропитания дата-центра

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

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.

Рис. 2. Удельная энергоемкость аккумуляторов

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.

а) для ИБП	б) для электрических мотоциклов	в) для скутеров
г) для электрических велосипедов		д) отдельный элемент (ячейка)
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

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.

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

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).

Рис. 4. Разрядные кривые Li-FePO4-аккумуляторов

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).

Рис. 5. Количество циклов «заряд-разряд» Li-FePO4-аккумуляторов

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

1. komar.bitcheese.net
2. Миронов С. Автономное электропитание на все случаи жизни. Обзор литиевых батарей и аккумуляторов. Электронные компоненты №8.

Наши информационные каналы