Днес има голям брой батерии с различни видове химия. Най-популярните батерии днес са литиево-йонни. Тази група включва и литиево-желязо-фосфатни (ферофосфатни) батерии. Докато всички батерии в тази категория са до голяма степен сходни по технически спецификации, литиево-желязо-фосфатните батерии имат свои собствени уникални характеристики, които ги отличават от другите батерии, произведени по литиево-йонна технология.
Историята за откриването на литиево-желязо-фосфатната батерия
Изобретателят на батерията LiFePO4 е Джон Гуденаф, който работи през 1996 г. в Тексаския университет върху нов катоден материал за литиево-йонни батерии. Професорът успява да създаде материал, който е по-евтин, има по-малко токсичност и висока термична стабилност. Сред недостатъците на батерията, която използва новия катод, беше по-малкият капацитет.
Никой не се интересуваше от изобретението на John Goodenough, но през 2003 г. A 123 Systems реши да разработи тази технология, смятайки я за доста обещаваща. Много големи корпорации станаха инвеститори в тази технология - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
Характеристики на LiFePO4 батериите
Напрежението на ферофосфатната батерия е същото като това на другите батерии с литиево-йонна технология. Номиналното напрежение зависи от размерите на батерията (размер, форм-фактор). За батерии 18 650 това е 3,7 волта, за 10 440 (малки пръсти) - 3,2, за 24 330 - 3,6.
При почти всички батерии напрежението постепенно спада по време на разреждане. Една от уникалните характеристики е стабилността на напрежението при работа с LiFePO4 батерии. Батериите, произведени по никелова технология (никел-кадмий, никел-метален хидрид) имат характеристики на напрежение, подобни на тези.
В зависимост от размера, литиево-желязо-фосфатната батерия може да доставя между 3,0 и 3,2 волта до пълно разреждане. Това свойство дава повече предимства на тези батерии, когато се използват във вериги, тъй като на практика елиминира необходимостта от регулиране на напрежението.
Напрежението на пълен разряд е 2,0 волта, най-ниската регистрирана граница на разреждане на всяка батерия с литиева технология. Тези батерии са лидери вексплоатационен живот, който е еквивалентен на 2000 цикъла за зареждане и разреждане. Поради безопасността на тяхната химическа структура, LiFePO4 батериите могат да се зареждат чрез специален ускорен метод делта V, когато към батерията се прилага голям ток.
Много батерии не могат да издържат на този метод на зареждане, което ги кара да се прегряват и да се развалят. В случай на литиево-желязо-фосфатни батерии използването на този метод е не само възможно, но дори и препоръчително. Ето защо има специални зарядни устройства специално за зареждане на такива батерии. Разбира се, такива зарядни устройства не могат да се използват на батерии с друга химия. В зависимост от форм-фактора, литиево-желязо-фосфатните батерии на тези зарядни устройства могат да се заредят напълно за 15-30 минути.
Последните разработки в областта на батериите LiFePO4 предлагат на потребителя батерии с подобрен работен температурен диапазон. Ако стандартният работен диапазон за литиево-йонни батерии е -20 до +20 градуса по Целзий, тогава литиево-железофосфатните батерии могат да работят перфектно в диапазона от -30 до +55. Зареждането или разреждането на батерията при температури над или под описаните ще повреди сериозно батерията.
Литиево-желязо-фосфатните батерии са много по-малко засегнати от ефекта на стареене, отколкото другите литиево-йонни батерии. Стареенето е естествената загуба на капацитет с течение на времето, която не зависи от това дали се използва батерия илие на рафта. За сравнение, всички литиево-йонни батерии губят около 10% капацитет всяка година. Литиевият железен фосфат губи само 1,5%.
Недостатъкът на тези батерии е по-ниският капацитет, който е с 14% по-малко (или така) от другите литиево-йонни батерии.
Безопасност на ферофосфатната батерия
Този тип батерии се считат за един от най-безопасните сред всички съществуващи типове батерии. LiFePO4 литиево-фосфатните батерии имат много стабилна химия и са в състояние да издържат добре на тежки натоварвания при разреждане (при работа с ниско съпротивление) и зареждане (при зареждане на батерията с високи токове).
Поради факта, че фосфатите са химически безопасни, тези батерии са по-лесни за изхвърляне, след като изработят ресурса си. Много батерии с опасна химия (като литиево-кобалтови) трябва да преминат през допълнителни процеси на рециклиране, за да се елиминира опасността за околната среда.
Зареждане на литиево-желязо-фосфатни батерии
Една от причините за търговския интерес на инвеститорите в химията на ферофосфата беше възможността за бързо зареждане, произтичаща от неговата стабилност. Веднага след организирането на конвейерното пускане на LiFePO4 батерии, те бяха позиционирани като батерии, които могат да се зареждат бързо.
За тази цел са произведени специални зарядни устройства. Както вече беше споменато по-горе, такива зарядни устройства не могат да се използват с други батерии, тъй като това ще доведе до прегряване и значително ще повредитях.
Специално зарядно устройство за тези батерии може да ги зареди за 12-15 минути. Ферофосфатните батерии могат да се зареждат и с конвенционални зарядни устройства. Има и комбинирани опции за зарядно устройство с двата режима на зареждане. Най-добрият вариант, разбира се, би бил да използвате интелигентни зарядни устройства с много опции за контрол на процеса на зареждане.
Устройство с литиево-желязо-фосфатна батерия
Батерията с литиево-желязо-фосфат LiFePO4 няма специални характеристики във вътрешната структура в сравнение с нейните аналози в химическата технология. Само един елемент е претърпял промяна - катод от железен фосфат. Материалът на анода е литий (всички литиево-йонни батерии имат литиев анод).
Работата на всяка батерия се основава на обратимостта на химическа реакция. В противен случай процесите, протичащи вътре в батерията, се наричат окислителни и редукционни процеси. Всяка батерия се състои от електроди - катод (минус) и анод (плюс). Също така във всяка батерия има сепаратор - порест материал, импрегниран със специална течност - електролит.
Когато батерията е разредена, литиевите йони се движат през сепаратора от катода към анода, отделяйки натрупания заряд (окисляване). Когато батерията е заредена, литиевите йони се движат в обратна посока от анода към катода, натрупвайки заряд (възстановяване).
Видове литиево-желязо-фосфатни батерии
Всички видове батерии от тази химия могат да бъдат разделени в четири категории:
- ЗавършеноБатерия.
- Големи клетки под формата на паралелепипеди.
- Малки клетки под формата на паралелепипеди (призми - LiFePO4 батерии при 3,2 V).
- Малки монетни клетки (пакети).
- Цилиндрични батерии.
Литиево-желязо-фосфатни батерии и клетки могат да имат различни номинални напрежения от 12 до 60 волта. Те превъзхождат традиционните оловно-киселинни батерии по много начини: времето на цикъла е много по-дълго, теглото е няколко пъти по-ниско и се презареждат няколко пъти по-бързо.
Цилиндричните батерии в тази химия се използват както поотделно, така и във верига. Размерите на тези цилиндрични батерии са много различни: от 14 500 (тип пръст) до 32 650.
Литиево-желязо-фосфатни батерии
Ферофосфатните батерии за велосипеди и електрически велосипеди заслужават специално внимание. С изобретяването на нов желязо-фосфатен катод, заедно с други видове батерии, базирани на тази химия, се появиха специални батерии, които поради подобрените си характеристики и по-малко тегло могат да се използват удобно дори на обикновени велосипеди. Такива батерии веднага придобиха популярност сред феновете на надграждането на велосипедите си.
Литиево-желязо-фосфатните батерии са в състояние да осигурят няколко часа безгрижно колоездене, което е достойна конкуренция за двигатели с вътрешно горене, които също често се инсталираха на велосипеди в миналото. Обикновено за данниза целите се използват 48v LiFePO4 батерии, но е възможно да се закупят батерии за 25, 36 и 60 волта.
Прилагане на ферофосфатни батерии
Ролята на батериите в тази химия е ясна без коментар. Призмите се използват за различни цели - LiFePO4 3, 2 v батерии. По-големите клетки се използват като елементи на буферни системи за слънчева енергия и вятърни турбини. Ферофосфатните батерии се използват активно при конструирането на електрически превозни средства.
Малки плоски батерии се използват за телефони, лаптопи и таблетни компютри. Цилиндрични батерии с различни форм-фактори се използват за еърсофт пистолети, електронни цигари, радиоуправляеми модели и др.
