Давайте разбираться, какие аккумуляторы мы называем литиевыми, почему это иногда вводит в заблуждение и чем Li-Ion отличаются от LiFePo4
Когда у вас перед подъездом вспыхивает очередной электросамокат или вам на глаза попадается ещё один ролик про загоревшийся в результате аварии электромобиль — не удивительно, что вы начинаете с опаской смотреть на любые литиевые аккумуляторы, включая тот, что обеспечивает работу вашего смартфона. Но не все литиевые батареи пожаро- и взрывоопасны. Существует целый класс литиевых аккумуляторов, которые физически не способны к «термическому разгону» и возгоранию. Предлагаю поговорить об этом подробнее.
Почему горят Li-Ion
Классические литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion), которые мы носим в карманах и которые разгоняют знаменитые электромобили Tesla, имеют одну фундаментальную проблему — склонность к «термическому разгону». Этим термином называют следующий процесс: электролит в Li-Ion батареях начинает терять стабильность при температуре 80-90°C. Это происходит, например, когда пользователь долго играет на мощном смартфоне в требовательную к ресурсам игру с 3d-графикой или электромобиль, простоявший на жаре, начинает движение в городском цикле с многократными резкими ускорениями и торможениями. При нагреве до указанной температуры в батарее запускается экзотермическая реакция, которая разгоняет температуру ещё сильнее — до 180-200°C. При ней из электролита начинает активно выделяться кислород, и аккумулятор превращается в «самоподдерживающийся источник пламени» с температурой до 900°C. А такое обычным огнетушителям не по зубам.
Дело в том, что каждая ячейка Li-Ion батареи представляет собой потенциальную точку возгорания. А во многих современных устройствах используются сотни или тысячи таких ячеек, соединённых вместе. Достаточно одной повреждённой или бракованной ячейки, чтобы запустить цепную реакцию.
Именно поэтому производители вкладывают огромные ресурсы в системы управления батареями (BMS), терморегуляцию и физическую защиту ячеек. Но даже эти меры не дают стопроцентной гарантии — вспомните хотя бы историю с взорвавшимися аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7 и другие новости о возгораниях.
LiFePO4: другая химия — другие свойства
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4 или LFP) используют принципиально иной катодный материал. Вместо кобальт-оксидных или никель-марганец-кобальтовых катодов здесь применяются фосфатные соли железа и лития (LiFePO4).
Ключевое отличие — стабильная кристаллическая решётка фосфата железа. Эта структура остаётся устойчивой даже при значительном нагреве и не склонна к выделению кислорода при повышении температуры. Тот самый зловещий термический разгон в LiFePO4-аккумуляторах невозможен физически: ему препятствуют химические свойства используемых материалов.
На краш-тестах LiFePO4-аккумуляторы прокалывали, сжимали, перегревали и подвергали ударным нагрузкам — при этом они, конечно, деградировали, теряя свои потребительские свойства, и даже выходили из строя, но не загорались и не взрывались.
Тут следует оговориться, что Li-Ion и LiFePO4 занимают разные ниши. Li-Ion, выигрывая в плотности энергии (то есть обладая большей ёмкостью на килограмм веса), используются в смартфонах и другой носимой электронике, а также в электромобилях, где для конструкторов принципиально важна энерговооружённость: мощность на килограмм массы. LiFePO4 не такие компактные, зато они превосходят своих «кузенов» в безопасности и долговечности — поэтому часто применяются для стационарных систем, где вес менее критичен. В этой области они конкурируют не с Li-Ion батареями, а со своими предшественниками – свинцово-кислотными аккумуляторами предыдущих поколений.
Батареи для стационарных систем
В системах резервного и автономного электроснабжения используются два основных типа аккумуляторов.
Свинцово-кислотные (SLA/VRLA)
Эта относительно старая технология постоянно совершенствуется и сегодня существенно отличается от того, что доминировало 20 или 40-лет назад, когда такие аккумуляторы были источником головной боли для инженеров и проектировщиков. Они требовали регулярного контроля и добавления дистиллированной воды, а при зарядке выделяли водород, создавая угрозу взрыва. Современные герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (VRLA — Valve Regulated Lead Acid, SLA – Sealed Lead Acid) избавлены от этих недостатков.
Технология рекомбинации газов, по которой они работают, позволяет водороду и кислороду, образующимся при зарядке, снова соединяться в воду прямо внутри корпуса. Результат — батарея не требует обслуживания, и её можно ставить без опасений даже в жилых помещениях.
Но ряд недостатков этот тип аккумуляторов всё-таки унаследовал: в первую очередь, большой вес и габариты, ограниченную глубину разряда (обычно 30–50% от номинальной ёмкости) и относительно короткий срок службы (300–500 циклов). Заметим, что при неполной зарядке есть вопросы и к параметрам тока, выдаваемого такими батареями.
Литий-железо-фосфатные LiFePO4
Это более современное решение для стационарных систем. К плюсам можно отнести высокую плотность энергии (в 3–4 раза выше, чем у свинцово-кислотных), глубокий разряд до 80–90% с сохранением характеристик тока, большой срок службы (3000–6000+ циклов) и высокий КПД (95–98%). Такие аккумуляторы способны работать в широком диапазоне температур и отличаются, как я уже упоминал, высокой пожаробезопасностью.
Из минусов можно отметить лишь более высокую по сравнению со свинцово-кислотными батареями стоимость и серьёзные требования к качеству BMS (Battery Management System) — системе управления аккумулятором, которая управляет токами заряда и разряда, контролирует температуру в каждой ячейке, балансирует заряд и защищает от перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания. Она же в премиум-системах резервного электропитания для жилых и коммерческих объектов обычно передаёт данные о своём состоянии пользователю через внешний Wi-Fi-модуль. Заметим, что свинцово-кислотные батареи продвинутых BMS не требуют.
Экономика владения
Несмотря на более высокую начальную стоимость, в долгосрочной перспективе LiFePO4 оказываются выгоднее. Регулярно используемые свинцово-кислотные батареи придётся менять каждые 3–5 лет. LiFePO4 служат 10–15 лет, а производители премиум-сегмента заявляют о ресурсе до 20 лет, но мы пока не имели возможности убедиться в этом, поскольку сама технология появилась относительно недавно.
А если учесть, что LiFePO4 имеет более высокий КПД, то есть теряет меньше энергии при заряде-разряде, то за несколько лет эксплуатации это даст ощутимую экономию.
Особенности эксплуатации LiFePO4
Несмотря на все перечисленные преимущества, у LiFePO4 есть свои требования, которые необходимо строго соблюдать:
Наличие качественной BMS. Система управления батареей должна контролировать напряжение каждой ячейки, температуру, токи заряда-разряда. Экономия на BMS может привести к преждевременной деградации батареи.
Температурный режим. Несмотря на то, что LiFePO4 способны работать в широком диапазоне температур, для поддержания долговечности оптимальным режимом является диапазон в 15–25°C. При минусовых температурах скорость заряда необходимо снижать.
Хранение. Если батарея долго не используется, её следует хранить с зарядом 40-60% и периодически (раз в 3–6 месяцев) подзаряжать.
Перспективы развития технологий литиевых аккумуляторов
Российские и зарубежные учёные активно работают над улучшением характеристик литиевых аккумуляторов. В первую очередь исследования ведутся в направлении увеличения плотности энергии, снижения внутреннего сопротивления и увеличения диапазона рабочих температур.
Например, недавно исследователи из СПбПУ под руководством кандидата технических наук, ведущего научного сотрудника лаборатории «Покрытия, материалы и технологии для литиевых источников тока» Максима Максимова заменили в литиевом аккумуляторе жидкий электролит на твёрдый, который не горит, а вместо обычно используемых сплавов лития применили металлический литий, увеличив таким образом энергоэффективность и стабильность показателей. Учёным удалось также разработать и специальное сверхтонкое покрытие для электродов, что радикально увеличивает срок службы батареи. Да, эти батареи ещё не пошли в серийное производство, они пока проходят испытания, но нет никаких сомнений, что такие устройства найдут широкое применение в носимой электронике и на транспорте.
На российском рынке появляются и LiFePO4-батареи нового поколения с улучшенными характеристиками, но массового распространения они пока не получили из-за высокой цены.
Выводы
Я уверен, что батареи, использующие литий, сплавы с ним или литиевые соли, будут в течение ближайших десятилетий играть значимую роль в обеспечении энергией широкой номенклатуры электроприборов. Причем как небольших гаджетов, так и сложных систем – например, таких, как системы резервного электроснабжения для жилых, коммерческих и производственных объектов, в первую очередь – загородных домов и дач, которые я и мои коллеги проектируем и монтируем изо дня в день, обеспечивая стабильность работы и энергетическую независимость бизнесов и наших сограждан.
Алексей Гладких
директор компании Hybrid-IBP