Аккумуляторные ячейки нового поколения: LIFePO4 STORAGE и EV классы

от Виктор
в Полезные статьи
14.04.2025
Аккумуляторные ячейки нового поколения

Содержание

Известно, что именно LiFePO4-аккумуляторы на сегодня являются самым оптимальным вариантом для обеспечения мобильного питания для электротранспорта, а также систем накопления энергии (ESS). Но мало кто понимает, что литий-железо-фосфатные аккумуляторные сборки бывают разного типа. В качестве основы для их производства используют так называемые «ячейки» с номинальным напряжением в 3,2 Вольта.

Для формирования уже готового к применению аккумулятора их соединяют в сборки, достигая необходимого порога входящего и исходящего напряжения. Контроль заряда и разряда обеспечивают независимые платы BMS.

Технологии производства LiFePO4-аккумуляторов тоже модернизируются. Например, сейчас наиболее доступными для использования как в частном, так и коммерческом секторе становятся ячейки типа Storage и EV-класса. Чем они между собой отличаются? Какие их ключевые преимущества перед LiFePO4-аккумуляторами, которые использовались ранее?

Что такое LiFePO₄ ячейки, зачем нужны, почему актуальны

Каждый производитель, который использует в своем производстве аккумуляторные системы, адаптирует свою технику под разные технические характеристики. Например, в системах ESS солнечных электростанций чаще всего используются аккумуляторы с напряжением в 48 или 60 Вольт. Это необходимо для снижения потерь электрического тока при его конвертации в рабочее напряжение (как правило, 220 или 380 Вольта переменного тока). Тогда как в электромобилях чаще всего используют сборки на 24В.

Но при этом аккумуляторные батареи чаще всего производятся на одних и тех же заводах. Чтобы ввести определенные стандарты производственного процесса как раз и были созданы так называемые «ячейки». Это аккумуляторные элементы, из которых в дальнейшем собирают уже готовые аккумуляторы, соединяя их последовательно или параллельно (в зависимости от того, каких характеристиках исходящего и входящего тока необходимо достичь по итогу).

Размер ячеек вариативен. Чаще всего их делят по емкости в диапазоне от 3 до 200 А*ч. Для чего все это делается?

Использование ячеек дает следующие преимущества:

  • более простая транспортировка и хранение;
  • возможность использовать их для производства аккумуляторных батарей под любую технику или системы, начиная от малоёмких, заканчивая резервным питанием для целого комплекса;
  • это безопасно, ведь каждая ячейка — это герметичный и необслуживаемый бокс;
  • удобный последующий монтаж в сборки, ведь в ячейках используются стандартные клеммы для соединения (чаще всего применяются шины);
  • более простое обслуживание аккумуляторных сборок, где по мере необходимости можно заменять отдельно каждую ячейку и это занимает минимум времени, в тех же свинцово-кислотных АКБ выход из строя одного блока приводит к тому, что аккумулятор в дальнейшем нельзя эксплуатировать.

Использование ячеек для аккумуляторов позволяет достичь при сборке АКБ модульности. Соответственно, оптимизировать израсходование ресурса, более тщательно контролировать состояние всей сборки. Дополнительно это дает возможность подключать контрольные датчики. Они будут передавать информацию о текущем нагреве, о внутреннем сопротивлении каждой ячейки.

Почему LiFePO4-ячейки являются актуальными?

Главное обоснование их популярности — это экономически выгодно. Ведь LiFePO4-аккумулятор, в среднем, служит не менее 10 лет в режиме активного использования. Тогда как распространенные сейчас литий-ионные ячейки, в среднем, можно использовать всего до 3 – 5 лет. Другой нюанс: LiFePO4-ячейки проще перерабатывать для повторной их эксплуатации в качестве аккумуляторных сборок.

Тогда как Li-Ion — сложнее, а еще такие ячейки больше наносят вреда для окружающей среды (особенно в тех странах, где утилизация таких элементов не налажена, не обеспечивается на государственном уровне).

Где применяются на практике

По сути, LiFePO4-ячейки и аккумуляторы на их основе могут использоваться в абсолютно всех системах, где требуется применение портативных источников питания. Начиная от мобильных телефонов и прочих носимых гаджетов до электромобилей и беспилотных летательных аппаратов. Дополнительно их массово сейчас используют для обустройства систем резервного питания.

В тех же солнечных электростанциях они выступают в качестве буферного хранилища. То есть, в дневное время суток, когда солнце светит активно, заряд от солнечных панелей поступает именно на LiFePO4-аккумуляторы, которые как раз и состоят из ячеек. А в темное время суток, когда генерация практически нулевая, из АКБ электрический ток поступает в электросеть дома или квартиры.

В таком буферном режиме свинцово-кислотные аккумуляторы служат, в среднем, до 3 лет. При этом их емкость кардинально снижается в процессе. А LiFePO4-аккумуляторы в этом же режиме прослужат около 15 лет. Особенно если их не поддавать постоянно пиковым нагрузкам.

Самым перспективным вариантом их использования остаются электромобили. Ведь основным «расходником» в них выступают как раз аккумуляторы. В тех электромобилях, где используются обычные литий-ионные или литий-полимерные АКБ-элементы их приходится заменять примерно каждые 2 – 3 года при очень активной эксплуатации.

Использование LiFePO4-ячеек нового поколения (EV) существенно увеличивает эксплуатационный ресурс элементов питания. Вплоть до 10 лет. При этом их можно использовать даже в тех странах, где температура окружающей среды зимой падает меньше 0 градусов по Цельсию.

Чем отличаются ячейки от целых аккумуляторов

В стандартных ячейках, которые выпускают производители, номинальное напряжение составляет всего 3,2 Вольта. Это не подходит для их использования в качестве аккумуляторов, ведь большинство техники, гибридных солнечных инверторов адаптированы под другие напряжения: 12, 24, 48, 60 Вольт и так далее. Но ячейки сделаны таким образом, чтобы их можно было легко и быстро между собой соединять. Последовательно или параллельно, тем самым формируя аккумуляторные сборки под требуемые технические параметры.

При последовательном соединении емкость остается одинаковой, как и сила тока. Но вот напряжение — суммируется. Соответственно, если соединить последователь 4 ячейки, то получится аккумуляторная сборка на 12,8 Вольта (номинальное напряжение). И это уже будет пригодным для использования с широким спектром техники.

Параллельное соединение подразумевает, что напряжение остается начальным. А вот емкость — суммируется. Соответственно, если пользователю требуется получить аккумуляторную батарею с напряжением в 24 Вольта и емкостью в 200 А*ч, то ему потребуется сделать 2 раздельные сборки по 12,8 Вольта с этой же емкостью. Далее — последовательно их соединить. При этом для каждой сборной ячейки можно установить отдельный модуль BMS. Информацию со всех них выводить на единственный контрольный модуль зарядки/разрядки.

Дополнительные отличия ячеек от целых аккумуляторов:

  • каждая ячейка — герметичная и неразборная (не предусмотрено возможности разбирать, обслуживать, заменять катод или анод, иные элементы);
  • в ячейках не устанавливается никакой защиты, модуля контроля заряда и разряда (за это в дальнейшем будет отвечать плата BMS);
  • в ячейках имеется контрольный индикатор для оценки их технического состояния (визуальный контроль механических повреждений);
  • ячейки не имеют защиты от короткого замыкания, от перезаряда или глубокого разряда, все это необходимо обеспечивать дополнительными модулями уже при формировании аккумуляторной батареи.

Тогда как аккумулятор — это уже сборка из нескольких ячеек. Которые, как правило, помещаются в дополнительный противоударный корпус (или из ударопрочного пластика). Дополнительно туда устанавливается BMS-плата, температурный датчик. Дополнительно интегрируют индикатор текущего уровня заряда, который берет информацию именно из BMS-модуля или напрямую с клемм аккумуляторной сборки.

Общие характеристики LiFePO₄ ячеек

На сегодняшний день выпускается множество вариаций литиевых аккумуляторов. Например, ранее одними из самых популярных являлись литий-полимерные. Именно их используют в мобильных телефонах, ноутбуках, шуруповертах и прочей подобной технике.

Ключевое преимущество таких аккумуляторов — это высокая емкость (плотность хранения заряда), а также высокие номинальные токи при отдаче. То есть, с их помощью можно запитать мощную технику. Но у литиевых аккумуляторов такого типа есть один существенный недостаток: у них небольшой эксплуатационный ресурс.

В среднем, около 500 – 1000 циклов заряда/разряда, после чего их емкость начинает активно снижаться. Уже через 2 – 3 года активной эксплуатации она будет составлять всего около 60 – 75% от номинальной. А через 5 лет такой аккумулятор вовсе придет в негодность, так как его выходные токи не будут отвечать тем, которые необходимы для работы портативной техники.

В LiFePO₄ аккумуляторах этот недостаток нивелирован. У них эксплуатационный ресурс намного больше. В среднем, от 6000 до 15000 циклов заряда/разряда.

Дополнительные их преимущества:

  • не взрываются во время эксплуатации, даже если температура нагрева будет критически высокой или ячейки будут механически повреждены;
  • сравнительно легко переносят разрядку высоким током (с большой силой тока для достижения огромной пусковой мощности);
  • огромный срок хранения, свыше 10 лет в буферном режиме, что как раз и позволяет их использовать для систем резервного питания (ESS);
  • абсолютная экологичность и упрощение последующей утилизации, переработки.

При этом сейчас технологии производства ячеек модернизируются. Это позволяет удешевить производственные процессы, а вместе с этим обеспечить более рациональное использования лития.

Общие характеристики LiFePO4-ячеек:

  • номинальное напряжение — 3,2 Вольта;
  • емкость: в диапазоне от 1 до 200 А*ч, в зависимости от типоразмера;
  • удельная плотность хранения энергии: от 90 до 160 Вт*ч на 1 кг;
  • плотность конструкции: около 2 килограмм на кубический дециметр;
  • срок службы и хранения: 15 лет;
  • количество циклов: в зависимости от используемой технологии производства, от 2 до 15 тысяч циклов заряда/разряда (зависит также от условий эксплуатации);
  • показатели саморазряда: до 5% в месяц, зависит от технологии производства и используемой химии в качестве электролита;
  • рабочий диапазон напряжения: от 2 до 3,65 Вольта;
  • рабочие температуры: для зарядки от -20 до +55 градусов по Цельсию, при разрядке: от 0 до 40 градусов по Цельсию (в этом диапазоне гарантируется соблюдение вышеперечисленных характеристик).

Строение — такое же, как и у других литий-ионных аккумуляторных батарей. То есть, имеется электрод и анод. Между ними располагается электролит и сепараторные пластины. Все это заключается в герметичный необслуживаемый корпус (преимущественно из металлического листа или поликарбоната).

Следует отметить, что сейчас некоторые производители занимаются модернизацией типов используемых электролитов в ячейках нового поколения. Можно ожидать, что в будущем удельная емкость в LiFePO4-аккумуляторах будет увеличена. Аналитики вовсе считают, что она сравниться с традиционными Li-Ion.

STORAGE CLASS (0.5–1.0C)

Ячейки такого типа адаптированы для использования в буферном режиме. Являются идеальным вариантом для обустройства солнечных электростанций в сочетании с гибридными инверторами. Отличительная особенность — это адаптация под зарядные и разрядные токи в диапазоне от 0,5 до 1С. То есть, они идеально подходят для систем, где потребление относительно небольшое.

Самые распространенные варианты использования LiFePO4-ячеек типа Storage Class:

  • буферные системы резервного питания;
  • солнечные электростанции;
  • автономное освещение;
  • портативная электроника (смартфоны, планшеты, фотоаппараты, маломощные бытовые инструменты и так далее).

Являются универсальными, долговечными и надежными. Обладают также низким коэффициентом саморазряда при хранении.

EV CLASS (2–3C)

Ячейки такого типа иногда еще именуют как «высокотоковые». То есть, они подходят для мощной техники и систем резервного питания. Ток заряда и разряда — в диапазоне до 3С. Удельная емкость и напряжение у них идентичное Storage Class. Но вот количество циклов заряда/разряда — меньше, как и весь эксплуатационный ресурс (в среднем, от 5 до 10 лет).

Чаще всего такие ячейки используются для формирования аккумуляторных сборок, что в дальнейшем используются в электромобилях. Также их активно используют в качестве мобильного источника питания в:

  • электроскутерах;
  • гироскутерах;
  • мощной бытовой технике (электропилы, углошлифовальные машины);
  • катера с электрическими двигателями.

В теории, такие ячейки без каких-либо проблем можно использовать и в системах резервного питания в буферном режиме. Но ввиду того, что стоят они дороже, а эксплуатационный режим в таком режиме работе меньше, то покупать именно такие вариации аккумуляторных сборок для этих целей — не рационально.

Конструкции ячеек

Самые распространенные варианты ячеек для LiFePO4:

  • В форме цилиндра. Чаще всего это малоемкие ячейки. Всего до 10 А*ч. Часто используются для питания высокомощной портативной техники. Например, дронов и прочих беспилотных летательных аппаратов.
  • В форме параллелепипеда или куба. Чаще всего это высокоемкие ячейки. За счет такой формы допускается их более компактное размещение в целях экономии мечта, увеличения удельной емкости готовых аккумуляторных сборок. Корпуса для таких ячеек в техническом плане производить проще, поэтому они и являются более популярными, распространенными.
  • Пластины. По сути, это аналогичные АКБ в форме параллелепипеда, но они делаются вытянутыми, плоскими. Это упрощает их скрытый монтаж, например, в тех же электромобилях.

Ввиду химических особенностей производственного процесса, в так называемых «пакетах» с гибким корпусом LiFePO4-аккумуляторные ячейки практически не производятся. Потому что в особо компактной технике они практически не используются. Ведь у обычных литий-ионных аккумуляторов удельная плотность хранения электроэнергии выше. То есть, Li-Ion выигрывает в компактности. Но это единственное их преимущество перед LiFePO4-аккумуляторами.

Есть ли отличия по тому, какой тип электролита используется в ячейках класса Storage и EV?

Ключевые различия:

  • в Storage преимущественно используются тетрафторборат лития в качестве электролита, что и обеспечивает медленный саморазряд, течение химической реакции при хранении;
  • в EV преимущественно используется гексафторфосфат лития, что как раз и обеспечивает более скорый разряд и заряд.

Типы сепараторов у разных производителей отличаются. Чаще всего применяются пропиленкарбонат, этиленкарбонат, диметилкарбонат. Эксперименты в этом направлении продолжаются.

Главная задача, которая сейчас перед производителями — это повышение удельной энергоемкости литий-железо-фосфатных аккумуляторов и ячеек. При этом они также стараются добиться возможности их зарядки при отрицательных температурах окружающей среды.

Модули на основе ячеек

Ячейки производятся с напряжением в 3,2 Вольта. Это сделано нарочно, чтобы адаптировать их под имеющиеся энергетические системы и технику, в которой ранее применялись свинцово-кислотные или AGM-аккумуляторы. У последних рабочее напряжение находится в диапазоне от 10,5 до 14,4 Вольта. Соответственно, 4 ячейки LiFePO4, соединение последовательно, тоже будут иметь схожие характеристики.

Хотя нужно понимать, что принцип зарядки у них кардинально отличается. Так что зарядные устройства, которые изначально были разработаны для свинцово-кислотных аккумуляторов, не являются совместимыми с LiFePO4-аккумуляторами. И контроллеры заряда/разряда у них тоже не взаимозаменяемые.

Самый распространенный вариант сборки — это формирования набора из 4 аккумуляторов с последовательным соединением. Которые, при необходимости, соединяются с такими же параллельно или последовательно до получения нужного по емкости и напряжению аккумулятора. Например, 4s2p или 8s2p.

Преимущества ячеек нового поколения

Ключевые преимущества ячеек LiFePO4 нового поколения (Storage и EV-класса):

  • Более длительный срок службы. Вплоть до 20 лет при соблюдении правил эксплуатации (температурный режим, обязательное использование BMS). Ячейки типа EV обладают меньшим эксплуатационным ресурсом, но зато у них более высокие пиковые токи. Благодаря этому уже появляются супер-электрокары. Которые по техническим параметрам не уступают, а по многим критериям даже преобладают над обычными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.
  • Стабильное напряжение разряда. Соответственно, нивелируются возможные просадки, скачки. Это положительно сказывается на эксплуатационном ресурсе техники, которая запитывается от аккумуляторных сборок с применением LiFePO4. То есть, номинальное рабочее напряжение в большинстве случаев колеблется в диапазоне от 3 до 3,4 Вольта. Если пиковые токи высокие, то могут быть просадки до 2,5 Вольт на каждую ячейку. Но это все равно гораздо более равномерное снижение, чем у свинцово-кислотных и AGM-аккумуляторов, которые массово использовались ранее.
  • Так как применяются фосфаты, то такие ячейки — более экологичны, не наносят для окружающей среды какого-либо весомого вреда. Дополнительно их можно утилизировать под последующую переработку. То есть, допускается многократное применение. Это особенно важно с учетом того, что цены на литий постоянно растут ввиду увеличившегося спроса.
  • В ячейках нового поколения более высокие значения пикового тока. При этом даже продолжительная нагрузка на критических показателях не снижает их эксплуатационный ресурс в целом.
  • Удельная плотность ячеек нового поколения выше примерно на 14% в сравнении с теми, которые производились ранее. Это означает, что при аналогичном объеме, емкость хранимой электроэнергии в них будет заметно больше. Это особенно важно в электромобилях, где необходимо обеспечить максимально возможную компактность аккумуляторной сборки.
  • Более низкая скорость саморазряда. В последних вариациях Storage-аккумуляторов она составляет уже около 2% в месяц. Это означает, что даже через 3 года их хранения заряд внутри останется. Это важно, так как сберегать аккумуляторы такого типа с глубоким разрядом — нельзя. Это приводит к необратимым химическим процессам в ячейках, ввиду которых снижается их емкость и значения пиковых токов.
  • Более оптимальная химическая и термическая стабильность. Соответственно, они менее требовательны к условиям эксплуатации.
  • Морозоустойчивость. Некоторые производители выпускают ячейки, которые потенциально можно хранить при -40 градусов по Цельсию. Это существенно расширяет варианты их использования. Например, в определенных летательных космических аппаратах. Исследования в этом направлении продолжаются.
  • Полностью отсутствует «эффект памяти». Какой-либо контроль не нужен. Потому что все эти функции на себя берет BMS-модуль. Этот элемент контролирует и зарядный ток, и пиковые его значения при разрядке. Если они выходят за пределы требуемых — происходит размыкание электрической цепи. Все это делается с целью обеспечить сохранность аккумуляторной сборки.
  • Качество класса «А». При их производстве используется многоуровневый контроль качества. Это означает, что все приобретаемые ячейки будут обладать схожими показателями внутреннего сопротивления, остаточной и номинальной емкости. Это необходимо для более равномерной разрядки и снижения напряжения при питании техники, резервных и буферных систем.

Самое главное: сейчас цены на ячейки LiFePO4 — значительно ниже, чем пару лет назад. Этого удалось добиться и за счет оптимизации производственных процессов, и благодаря использованию более рациональных компонентов (фосфатных типов электролитов, сепараторных пластин).

Важно, что новые ячейки менее требовательные к условиям хранения. В среднем, их можно хранить при температурах в диапазоне от -20 до 55 градусов по Цельсию.

Даже в этом случае их эксплуатационный ресурс составит около 15 лет с минимальным уменьшением номинальной заявленной емкости. Им не требуется какого-либо обслуживания, замены электролита или контроля процентного соотношения химических реагентов внутри.

Каждая ячейка — это изолированный, герметичный элемент, готовый к использованию в создании аккумуляторной сборки. Процесс монтажа — максимально простой.

Перспективы рынка

Уже наверняка можно заявлять, что потребность в LiFePO4-аккумуляторах в дальнейшем будет расти. В ближайшей перспективе они станут самыми популярными и распространенными среди литий-ионных аккумуляторных батарей и полностью вытеснят остальные типы.

В конце 2024 года аналитическая компания IDTechEx представила прогноз, согласно которому рынок литиевых аккумуляторов в целом в 2025 году достигнет финансовых потоков свыше 30 миллиардов долларов.

И если тенденция сохранится, то уже к 2035 году этот показатель достигнет отметки в 400 миллиардов долларов. Причем, большая часть всего производства перейдет на использование именно LiFePO4.

На сегодня — это самый перспективный вариант аккумуляторных батарей для массового применения в потребительском и производственном секторе одновременно.

То, что эти прогнозы актуальны, доказывается ещё и резким увеличением инвестиций в эту область. Например, в ОАЭ уже запускают в реализацию проекты, нацеленные на строительство так называемых «смарт-городов». Это районы или кварталы, которые будут полностью себя обеспечивать энергией. Получать ее планируется от солнца. В качестве буферного источника будут выступать как раз LiFePO4-аккумуляторы.

Дополнительным подтверждением является и рост количества производственных мощностей, где будут выпускать LiFePO4-ячейки. Если ранее большая их часть располагалась в Китае, то сейчас более мелкие производства уже имеются буквально в каждой стране. Самыми крупными потребителями при этом остаются Китай, США, а также Европа (группа государств).

LiFePO4-ячейки нового поколения являются одной из самых перспективных технологий в создании систем резервного питания и электромобилях. Они одновременно и самые долговечные, и емкие, и безопасные как для окружающих, так и для экологии.

Но ввиду резкого увеличения спроса на них, можно ожидать, что и цены на такие ячейки будут расти в будущем. Правда, предугадать рост стоимости сложно, так как это зависит от внедряемых программ разработки природных источников лития.