Что такое технология литиевых батарей?

Литиевые батареи выделяются среди других аккумуляторов благодаря своей высокой плотности энергии и низкой стоимости цикла. Однако «литиевая батарея» — термин неоднозначный. Существует около шести распространенных химических соединений литиевых батарей, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки. Для приложений возобновляемой энергетики преобладающей химией является Литий-железо-фосфат (LiFePO4) . Этот химический состав обладает превосходной безопасностью, высокой термической стабильностью, высокими номинальными токами, длительным сроком службы и устойчивостью к неправильному обращению.

Литий-железо-фосфат (LiFePO4) является чрезвычайно стабильным химическим составом лития по сравнению почти со всеми другими химическими составами лития. Батарея изготовлена ​​из естественного безопасного катодного материала (фосфата железа). По сравнению с другими химическими составами лития, фосфат железа обеспечивает прочную молекулярную связь, которая выдерживает экстремальные условия зарядки, продлевает срок службы и сохраняет химическую целостность в течение многих циклов. Именно это обеспечивает этим батареям отличную термическую стабильность, длительный срок службы и устойчивость к неправильному обращению. LiFePO4 аккумуляторы не склонны к перегреву и не склонны к «тепловому выходу из-под контроля», и поэтому не перегреваются и не воспламеняются при неправильном обращении или суровых условиях окружающей среды.

В отличие от затопленных свинцово-кислотных и других аккумуляторов, литиевые батареи не выделяют опасные газы, такие как водород и кислород. Также нет опасности воздействия едких электролитов, таких как серная кислота или гидроксид калия. В большинстве случаев эти батареи можно хранить в закрытых помещениях без риска взрыва, а правильно спроектированная система не должна требовать активного охлаждения или вентиляции.

Литиевые батареи представляют собой сборку, состоящую из множества элементов, таких как свинцово-кислотные батареи и многие другие типы батарей. Свинцово-кислотные батареи имеют номинальное напряжение 2 В/ячейку, тогда как литиевые аккумуляторные батареи имеют номинальное напряжение 3,2 В. Таким образом, чтобы получить батарею на 12 В, вам обычно нужно соединить четыре элемента последовательно. Это сделает номинальное напряжение ЛиФеПО4 12,8 В . Восемь клеток, соединенных последовательно, образуют аккумулятор 24 В с номинальным напряжением 25,6В и шестнадцатью последовательно соединенными элементами составляют аккумулятор 48 В с номинальным напряжением 51,2В. Эти напряжения очень хорошо работают с вашим типичным Инверторы 12 В, 24 В и 48 В .

Литиевые батареи часто используются для замены свинцово-кислотных батарей, поскольку они имеют очень похожее зарядное напряжение. Четырехклеточный Батарея LiFePO4 (12,8 В), обычно максимальное напряжение заряда составляет 14,4–14,6 В (в зависимости от рекомендаций производителя). Уникальность литиевой батареи заключается в том, что она не требует абсорбционного заряда или поддержания постоянного напряжения в течение значительных периодов времени. Обычно, когда аккумулятор достигает максимального зарядного напряжения, его больше не нужно заряжать. Разрядные характеристики аккумуляторов LiFePO4 также уникальны. Во время разрядки литиевые батареи поддерживают гораздо более высокое напряжение, чем свинцово-кислотные батареи, которые обычно находятся под нагрузкой. Нередко литиевая батарея падает всего на несколько десятых вольт при полной зарядке до 75% разрядки. Это может затруднить определение того, какая емкость была использована без оборудования для мониторинга батареи.

Существенным преимуществом литиевых аккумуляторов перед свинцово-кислотными является то, что они не страдают от дефицита цикличности. По сути, это когда аккумуляторы не могут быть полностью заряжены, а на следующий день снова разряжаются. Это очень большая проблема для свинцово-кислотных аккумуляторов, которая может способствовать значительной деградации пластин при неоднократном циклическом использовании таким образом. Батареи LiFePO4 не требуют регулярной полной зарядки. Фактически, можно немного увеличить общий срок службы, слегка заряжая частично вместо полной зарядки.

Эффективность является очень важным фактором при проектировании солнечных электрических систем. КПД туда и обратно (от полного до разряженного и обратно до полного) среднего свинцово-кислотного аккумулятора составляет около 80%. Другие химические процессы могут быть еще хуже. Энергоэффективность литий-железо-фосфатной батареи в обе стороны составляет более 95-98%. Уже одно это является значительным улучшением для систем, испытывающих недостаток солнечной энергии в зимний период: экономия топлива от зарядки генератора может быть огромной. Стадия абсорбционной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов особенно неэффективна, в результате чего КПД составляет 50% или даже меньше. Учитывая, что литиевые батареи не заряжаются методом абсорбции, время зарядки от полной разрядки до полной зарядки может составлять всего два часа. Также важно отметить, что литиевая батарея может подвергаться почти полной разрядке без существенных побочных эффектов. Однако важно следить за тем, чтобы отдельные элементы не переразряжались. Это работа интегрированного Система управления батареями (BMS) .

Безопасность и надежность литиевых батарей вызывают большое беспокойство, поэтому все узлы должны иметь встроенный Система управления батареями (BMS) . BMS — это система, которая контролирует, оценивает, балансирует и защищает ячейки от работы за пределами «безопасной рабочей зоны». BMS является важным компонентом безопасности системы литиевых батарей, контролирующим и защищающим элементы внутри батареи от перегрузки по току, пониженного/повышенного напряжения, пониженной/повышенной температуры и многого другого. Элемент LiFePO4 будет необратимо поврежден, если напряжение элемента упадет ниже 2,5 В; он также будет необратимо поврежден, если напряжение элемента увеличится до более чем 4,2 В. BMS контролирует каждую ячейку и предотвращает повреждение ячеек в случае пониженного/повышенного напряжения.

Еще одна важная обязанность BMS — балансировать аккумулятор во время зарядки, гарантируя полную зарядку всех элементов без перезарядки. Ячейки аккумулятора LiFePO4 не будут автоматически балансироваться в конце цикла зарядки. Имеются небольшие различия в импедансе ячеек, поэтому ни одна ячейка не является на 100% идентичной. Следовательно, во время цикла некоторые элементы будут полностью заряжены или разряжены раньше, чем другие. Разница между ячейками со временем значительно увеличится, если ячейки не сбалансированы.

В свинцово-кислотные аккумуляторы , ток будет продолжать течь, даже если один или несколько элементов полностью заряжены. Это результат внутри батареи происходит электролиз, при котором вода расщепляется на водород и кислород. Этот ток помогает полностью зарядить другие ячейки, тем самым естественным образом балансируя заряд всех ячеек. Однако полностью заряженный литиевый элемент будет иметь очень высокое сопротивление и по нему будет протекать очень малый ток. Поэтому отстающие элементы не будут полностью заряжены. Во время балансировки BMS будет применять небольшую нагрузку к полностью заряженным элементам, предотвращая их перезарядку и позволяя другим элементам догонять их.

Литиевые батареи имеют множество преимуществ по сравнению с другими химическими батареями. Они представляют собой безопасное и надежное аккумуляторное решение, не опасающееся перегрева и/или катастрофического расплавления, что является значительной вероятностью для других типов литиевых батарей. Эти батареи обеспечивают чрезвычайно длительный срок службы, а некоторые производители даже гарантируют аккумуляторы до 10 000 циклов. Благодаря высокой скорости непрерывной разрядки и перезарядки, превышающей C/2, и КПД в обоих направлениях до 98%, неудивительно, что эти батареи набирают обороты в отрасли. Литий-железо-фосфат (LiFePO4) это идеальный решение для хранения энергии .