Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO ₄ , LFP) — тип электрического аккумулятора , в котором используется LiFePO ₄ для катода и графитовый углеродный электрод с металлической подложкой в качестве анода., Является разновидностью литий-ионного аккумулятора . Из-за своей более низкой стоимости, высокой безопасности, низкой токсичности, длительного срока службы и других факторов батареи LFP находят широкое применение в транспортных средствах, стационарных аккумуляторах и для резервного питания. Батареи LFP не содержат кобальта.

По состоянию на сентябрь 2022 года доля рынка аккумуляторов типа LFP для электромобилей достигла 31%, и из них 68% были только от Tesla и китайского производителя электромобилей BYD. Китайские производители, в настоящее время, имеют почти монополию на производство батарей типа LFP, однако, срок действия патентов истекает в 2022 году и ожидается повышение спроса и производства более дешёвых массовые батарей такого типа.

Характеристики

• Удельная плотность энергии: 90–160 Вт • ч / кг (320-580 Дж / г )
• Объёмная плотность энергии: 220–350 Вт • ч / дм ³ (790 к Дж / дм ³ )
• Объёмная плотность конструкции: 2 кг / дм ³
• Число циклов заряд-разряд до потери 20% ёмкости: 2000-7000 (ресурс сильно зависит от тока заряда и разряда, так при токе 0,25C ресурс при 100% глубине разряда превышает 6000 циклов, при токе 1С падает до 3000. Также ресурс зависит от глубины разряда: если при токе 1C и 100% глубине разряда ресурс составляет 3000 циклов, то при 80% — 4500, а при 60% уже 10000 циклов ).
• Срок хранения: до 15 лет
• Саморазряд при комнатной температуре: 3-5% в месяц
• Напряжение
  • максимальное в элементе: 3,65 В (полностью заряжен)
  • средней точки: 3.3 В
  • минимальное: 2 В (полностью разряжен)
  • рабочее: 3.0-3.3 В
  • минимальное рабочее напряжение (разряда): 2.5 В
• Удельная мощность : >6,6 Вт / г (при разряде током 60С)
• Диапазон рабочих температур при разряде: от -30°C до +55°C; при заряде: от 0°C до 40°C.

История

Впервые LiFePO ₄ был открыт в 1996 году профессором Джоном Гуденафом из Техасского университета , как катод для литий-ионного аккумулятора . Примечателен данный материал был тем, что в сравнении с традиционным LiCoO ₂ , обладает значительно меньшей стоимостью, является менее токсичным и более термоустойчив. Главным недостатком являлось то, что он обладал меньшей ёмкостью .

До 2003 года эта технология практически не развивалась, пока за неё не взялась компания A123 Systems . История A123 Systems начиналась в лаборатории профессора Цзяна Йе-Мина из Массачусетского технологического института (MIT) в конце 2000 года. На тот момент Цзян работал над созданием аккумулятора , основанного на самовоспроизведении структуры коллоидного раствора при определённых условиях. Однако на этом фронте работ возникли серьёзные трудности, и когда в 2003 году исследования зашли в тупик, команда Цзян занялась исследованием литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Инвесторами в созданную компанию стали такие мировые корпорации, как Motorola , Qualcomm и Sequoia Capital .

Преимущества и недостатки

Основной недостаток — невозможность заряда при отрицательных температурах, основное достоинство — меньшая пожароопасность .

LiFePO ₄ аккумуляторы происходят от литий-ионных, однако имеют ряд существенных отличий:

• LiFePO ₄ обеспечивает более длительный срок службы, чем другие литий-ионные подходы;
• В отличие от других литий-ионных, LiFePO ₄ аккумуляторы, как и никелевые, имеют очень стабильное напряжение разряда. Напряжение на выходе остаётся близко к 3,2 В во время разряда, пока заряд аккумулятора не будет исчерпан полностью. И это может значительно упростить или даже устранить необходимость регулирования напряжения в цепях, но усложнить контроль оставшегося заряда аккумулятора.

• В связи с постоянным напряжением 3.2 В на выходе, четыре аккумулятора могут быть соединены последовательно для получения номинального напряжения на выходе в 12.8 В, что приближается к номинальному напряжению свинцово-кислотных аккумуляторов с шестью ячейками. Это, наряду с хорошими характеристиками безопасности LFP-аккумуляторов, делает их хорошей потенциальной заменой для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей во многих отраслях, таких как автомобилестроение и солнечная энергетика. По этой же причине, возможно использование 3,2 В LiFePO ₄ аккумуляторов стандартного типоразмера 14500/10440 взамен пары гальванических элементов или аккумуляторов типоразмеров АА/ААА 1,5 В, для чего используется 1 LiFePO ₄ аккумулятор, а вместо второго элемента применяется аналогичных размеров вставка-проводник.
• Использование фосфатов позволяет избежать затрат кобальта и экологических проблем, в частности, при попадании кобальта в окружающую среду при неправильной утилизации.
• LiFePO ₄ имеет более высокий пиковый ток (а, учитывая стабильность напряжения — пиковую мощность), чем у LiCoO ₂ .
• Удельная плотность энергии (энергия / объём) нового аккумулятора LFP примерно на 14 % ниже, чем у новых литий-ионных аккумуляторов.
• LiFePO ₄ аккумуляторы имеют более низкую скорость разряда, чем свинцово-кислотные или литий-ионные. Так как скорость разряда определяется в процентах от ёмкости аккумулятора, то более высокая скорость разряда может быть достигнута в более ёмких аккумуляторах (больше ампер-часов). Однако могут быть использованы LiFePO ₄ элементы с высоким током разряда (имеющие более высокую скорость разряда, чем свинцово-кислотные батареи, или LiCoO ₂ той же мощности).
• Из-за более медленного снижения плотности энергии, спустя некоторое время эксплуатации, LiFePO ₄ элементы уже имеют большую плотность энергии, чем LiCoO ₂ и литий-ионные.
• LiFePO ₄ элементы медленнее теряют ёмкость, чем литий-ионные (LiCoO ₂ [литий-кобальт оксидные], LiMn ₂ O ₄ [литий-марганцевая шпинель])
• Одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных аккумуляторов, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность батареи.
• Подвержены эффекту Пойкерта (неспособность отдать полную ёмкость при больших токах разряда), как и другие химические источники тока. Однако влияние эффекта Пойкерта на LiFePO4 аккумуляторы является минимальным, за счёт чего, ёмкость при разряде в определённый промежуток времени (при маркировке обозначаемая: C1, C5, C10, C20 и т. д.) меняется незначительно.
• Морозоустойчивость. Например, для аккумулятора ANR26650M1-B производителя A123 Systems заявлен температурный диапазон −30 °C … 55 °C для работы и −40 °C … 60 °C для хранения.
• Значительно понижается зарядный ток при отрицательной температуре элемента LiFePO ₄ .

Этот тип аккумулятора активно применяется как буферный накопитель энергии в системах автономного электроснабжения с использованием ветрогенераторов и солнечных батарей, а также в складской технике (транспортировщики палет, ричтраки, подборщики заказов, комплектовщики, штабелёры, вилочные электропогрузчики, буксировочные тягачи), поломоечных машинах, водном транспорте, гольфкарах, электровелосипедах, электроскутерах, электромобилях и электробусах.

См. также

• Литий-титанатный аккумулятор — (возможна зарядка при отрицательных температурах) .

Примечания