Что такое LFP-аккумуляторы (LiFePO4) - призматические, пакетные и цилиндрические

Аккумуляторы LFP состоят из отдельных самостоятельных элементов, называемых ячейками, соединенных последовательно или параллельно для достижения нужного напряжения и емкости. Основными компонентами каждой такой структуры выступают:

1. Катод, состоящий из фосфата железа-лития (LiFePO4) – материала, обеспечивающего стабильную и безопасную работу источника.
2. Анод, изготовленный из обычного графита, пористого материала для свободного прохождения через него заряженных частиц.
3. Электролит, представляющий собой солевой раствор, проводящий ионы лития. Он находится в капиллярном состоянии внутри пористой губки.
4. Сепаратор, являющийся пористым материалом, разделяющим разноименные электроды.
5. Корпус или оболочка, размер, материал и форма которой зависит от типа ячейки (стальной, алюминиевый, ламинированный пакет, прямоугольный, цилиндрической, пластинчатый). Наружу выведены контакты в виде резьбовых шпилек или лент под пайку.
6. Типоразмеры Lifepo4 батарей охватывают большой диапазон, от компактных цилиндрических до крупных призматических блоков увеличенной емкости.

Особенности химического состава

Lifepo4 батареи основаны на химических процессах взаимодействия фосфата железа и лития. Главное отличие от других литий-ионных (NMC, LCO) заключается в отсутствие кобальта и никеля в катоде. Фосфатная кристаллическая решетка (оливин) очень устойчива, что кратно снижает риск теплового разгона и возгорания даже при повреждениях, перезаряде или коротких замыканиях. Она выдерживает большой диапазон рабочих температур и глубокий разряд без ощутимой потери ресурса. Электролит также часто оптимизирован для повышенной безопасности и долговечности.

Преимущества по сравнению с классическими Li-ion

Аккумуляторы призматики с лиферными ячейками обладают преимуществами перед классическими Li-ion:

1. Безопасность, обусловленная уменьшением риска пожара или взрыва благодаря термической стабильности и предварительной специальной обработки исходных материалов.
2. Долговечность, объясняемая сроком службы до 5000 циклов (кратно больше других литиевых вариантов накопителей энергии).
3. Устойчивость к перегреву, доказанная работоспособностью в диапазоне -20°C...+60°C. Существуют универсальные варианты с увеличенными возможностями.
4. Отсутствие эффекта памяти, поэтому можно заряжать и разряжать частично без вреда.
5. Экологичность, объясняемая тем, что не содержат токсичных тяжелых металлов (кобальта и никеля), легче утилизировать после применения.

Призматические аккумуляторы имеют прямоугольную форму и плоские грани. Активные материалы и электроды упакованы в жесткий металлический (чаще произведен из алюминия) корпус. Это больше распространенный тип для высокомощных стационарных модулей и электротранспорта благодаря:

• плотной компоновке за счет продуманного использования объема;
• высокой емкости отдельных ячеек, до 300 и более Ач;
• механической прочности корпуса, в котором используются дополнительные упрочняющие элементы;
• удобству сборки в большие батареи (аккумуляторные пакеты), так как производители предлагают много размеров LiFePO4 аккумуляторов.

К тому же размеры и форма удобны для доставки и сборки в полноценные автомобильные АКБ.

Что это такое и где применяются

Лиферные батареи с призматической структурой – это энергоемкие блоки в прочном корпусе. Высокая емкость объясняется заполнением всего пространства. Такие ячейки применяют в:

• стационарных накопителях энергии (солнечные электростанции, ИБП);
• электромобилях (грузовые машины и автобусы) и электроинструменты;
• системах резервного питания для домов и бизнеса;
• морском транспорте и спецтехнике.

Их выбирают, когда нужна большая емкость, надежность и долгий срок службы в стационарной установке. При этом занимаемый объем не имеет значения.

Плюсы: высокая емкость и надежность в стационарных системах

Новые элементы питания призматического типа обладают некоторыми главными плюсами:

• увеличенная емкость в числе LFP, одна ячейка выдает десятки и даже сотни Ач, но меньше, чем у Li-ion;
• хорошая плотность компоновки, что указывает на грамотное использование пространства в батарейных шкафах;
• высокая механическая защита, обеспечиваемая жестким корпусом с дополнительными упрочняющими элементами;
• хороший теплоотвод, реализуемый через плоские стенки корпуса;
• долговечность и стабильность, поэтому их выбирают для комплектации необслуживаемых систем длительного использования (ИБП и промышленных накопителей).

Пакетный аккумулятор (pouch cell) – это гибкая ячейка без жесткого корпуса. Электроды и сепаратор запаяны в ламинированную алюминиевую оболочку. К ее особенностям относят:

• уменьшенный вес и толщину;
• гибкость формы, благодаря чему его можно разместить в любом пространстве, сохраняя требования дизайна;
• заметно низкая цена производства;
• хорошая теплоотдача через плоскую поверхность, тепло рассеивается всей площадью.

Сравнивая призматик аккумулятор и пакет, последний выигрывает в весе и гибкости, но проигрывает в механической защите. Это нужно помнить, выбирая такой вариант для комплектации системы резервного питания.

Гибкая конструкция и малый вес

Накопительные ячейки пакетного типа очень легкие и тонкие. Отсутствие тяжелого металлического корпуса позволяет достигать высокой удельной энергетической емкости за счет увеличения объема (Вт*ч/кг). Гибкая оболочка дает свободу конструкторам – ячейки можно размещать в стесненных или нестандартных пространствах (ноутбуки, планшеты, некоторые модели электромобилей). Этот тип часто выбирают, когда важно сохранить вес оборудования.

Недостатки: уязвимость к вздутию и механическим повреждениям

При выборе такого типа ячеек рекомендуем изучить возможные недостатки. Они есть у всех типов батарей, но с разными особенностями. К пакетным относятся:

1. Уязвимость к механическим повреждениям, так как нет жесткой пластины, как у призматических. Позаботьтесь о корпусе и проблема будет решена.
2. Существует риск вздутия из-за газообразования при неправильной зарядке-разрядке или старения. Такую ячейку нужно заменить.
3. Присутствует необходимость во внешней механической защите. В батарейных пакетах ячейки должны быть надежно зафиксированы и защищены пластинами или рамками.
4. Более сложная система BMS. Требуется тщательный контроль для предотвращения вздутия. 
5. Важно. Заряд выполняется сначала с поддержанием постоянного тока, затем – постоянного напряжения в две фазы.

Цилиндрические ячейки – классический формат, похожий на батарейки (AA, AAA), но больших размеров. Оснащены жестким стальным корпусом. Типоразмеры LiFepo4 аккумуляторов цилиндрической формы стандартизированы. Чаще распространены 18650 (18 мм х 65 мм), 21700 (21 мм х 70 мм) и 26650 (26 мм х 65 мм). 

Они широко используются благодаря:

• отработанной технологии производства;
• высокой механической прочности корпуса, имеется металлическая оболочка;
• надежности и стабильности работы за счет хорошего рассеивания тепла;
• удобству сборки в батареи с помощью специальных держателей и плат (BMS).

Стандартизированные форматы (например, 18650, 21700)

Аккумулятор цилиндрический LFP типа существует в четко определенных размерах. Стандартизация (18650, 21700 и др.) имеет большие плюсы:

• совместимость, благодаря чему легко найти зарядные устройства, держатели, BMS платы;
• надежность производства за счет снижения брака и себестоимости;
• ремонтопригодность, потому что в таком форм-факторе проще заменить отдельную неисправную ячейку в батарее, чем сборку;
• проверенная конструкция с жестким корпусом обеспечивает защиту и стабильность внутреннего давления.

Плюсы: стабильность и высокая плотность энергии

Цилиндрический накопительный источник тока LFP широко применяется в сотнях устройств и обладает преимуществами:

• высокая удельная плотность энергии (Вт*ч/л), но ниже, чем у Li-ion;
• увеличенная механическая прочность благодаря стальному корпусу, который выдерживает внешние воздействия;
• надежность и долговечность, проверенная временем и активной эксплуатацией;
• оптимизированная скорость разряда, подходящая для устройств с пиковыми токами (электроинструмент и моделизм);
• хорошая стабильность внутреннего давления, так как к устойчив к небольшому газовыделению.

Важно. Лиферные батареи менее выносливы к моментам высокотоковых выбросов.

Выбор между цилиндрическими, пакетными и призматическими ячейками зависит от требований проекта:

1. Призматические аккумуляторы применяются в стационарных накопителях марки VOLTS, электробусах, тяжелом электротранспорте, ИБП, морских системах, где нужна повышенная емкость и надежность для работы в опасных условиях.
2. Пакетные (pouch) изделия широко используются в потребительской электронике (ноутбука, планшетах), легких электромобилях, дронах – где важен вес, толщина и гибкость формы.
3. Цилиндрические приспособили для электроинструментов, силовых банок, персонального электротранспорта, портативных power bank, систем накопления энергии средней мощности – где важны стандартизация, надежность, высокая плотность энергии и пиковые токи.

Электротранспорт, портативная техника, домашние накопители

Призматический или пакетный формат часто встречается в электромобилях благодаря емкости или гибкости. Портативная техника (гаджеты) использует пакетные или малые цилиндрические ячейки из-за легкости. Домашние накопители (солнечные электростанции, ИБП) в основном собирают на крупных призматических LFP элементах (VOLTS), так как они адаптированы для стационарного размещения в разных бытовых и промышленных товарах.

Системы резервного питания с LiFePO4 - преимущественно на призматических ячейках как у решений VOLTS

Проекты VOLTS и других лидеров сегмента домашних и коммерческих накопителей часто основаны на призматических LFP элементах. Причина – их превосходство в стационарных условиях:

• увеличенная емкость единичной ячейки, меньше соединений, выше надежность всей батареи;
• повышенная механическая прочность и стабильность, долгий срок службы без вздутия;
• хорошее соотношение габариты и емкость, плотная компоновка в шкафах;
• удобство обслуживания и замены отдельных модулей.

Подходящий типоразмер LiFepo4 аккумулятора определяется возложенной задачей. Для наибольшей емкости, надежности и стационарных проектов, например, для ИБП или солнечных электростанций марки VOLTS лучше использовать призматические структуры. Для сокращения веса, заполнения объема с неправильной геометрией и компактности, например, при создании дронов, ноутбуков, предпочтительнее пакетные изделия с дополнительной защитой корпуса. Если в процессе работы техники присутствуют пиковые токи и важен единый стандарт исполнения, то цилиндрические батареи станут лучшим выбором, например, в форматах 18650 и 21700. 

При выборе также учитывайте площадь установки, требования к весу, механическим нагрузкам, необходимой мощности и бюджету. Качественные LFP батареи любого формата обеспечат длительный срок службы, безопасность и эффективность, в разы превосходя свинцово-кислотные и многие другие литиевые технологии.