Σήμερα, υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός μπαταριών με διαφορετικούς τύπους χημείας. Οι πιο δημοφιλείς μπαταρίες σήμερα είναι ιόντων λιθίου. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει επίσης μπαταρίες λιθίου-σιδηρού-φωσφορικού (σιδηροφωσφορικού). Ενώ όλες οι μπαταρίες αυτής της κατηγορίας είναι σε γενικές γραμμές παρόμοιες σε τεχνικές προδιαγραφές, οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου έχουν τα δικά τους μοναδικά χαρακτηριστικά που τις διακρίνουν από άλλες μπαταρίες που κατασκευάζονται με τεχνολογία ιόντων λιθίου.
Η ιστορία της ανακάλυψης της μπαταρίας φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Ο εφευρέτης της μπαταρίας LiFePO4 είναι ο John Goodenough, ο οποίος εργάστηκε το 1996 στο Πανεπιστήμιο του Τέξας σε ένα νέο υλικό καθόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ο καθηγητής κατάφερε να δημιουργήσει ένα υλικό που είναι φθηνότερο, έχει λιγότερη τοξικότητα και υψηλή θερμική σταθερότητα. Ανάμεσα στα μειονεκτήματα της μπαταρίας, που χρησιμοποιούσε τη νέα κάθοδο, ήταν η μικρότερη χωρητικότητα.
Κανείς δεν ενδιαφέρθηκε για την εφεύρεση του John Goodenough, αλλά το 2003 η A 123 Systems αποφάσισε να αναπτύξει αυτήν την τεχνολογία, θεωρώντας την αρκετά υποσχόμενη. Πολλές μεγάλες εταιρείες έχουν γίνει επενδυτές σε αυτήν την τεχνολογία - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
Χαρακτηριστικά των μπαταριών LiFePO4
Η τάση της μπαταρίας σιδηροφωσφορικών είναι η ίδια με αυτή άλλων μπαταριών τεχνολογίας ιόντων λιθίου. Η ονομαστική τάση εξαρτάται από τις διαστάσεις της μπαταρίας (μέγεθος, συντελεστής μορφής). Για μπαταρίες 18 650 αυτό είναι 3,7 βολτ, για 10 440 (μικρά δάχτυλα) - 3,2, για 24 330 - 3,6.
Σχεδόν όλες οι μπαταρίες, η τάση πέφτει σταδιακά κατά την εκφόρτιση. Ένα από τα μοναδικά χαρακτηριστικά είναι η σταθερότητα της τάσης κατά την εργασία με μπαταρίες LiFePO4. Οι μπαταρίες που κατασκευάζονται με τεχνολογία νικελίου (νικέλιο-κάδμιο, υδρίδιο νικελίου-μετάλλου) έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά τάσης.
Ανάλογα με το μέγεθος, μια μπαταρία φωσφορικού σιδήρου λιθίου μπορεί να αποδίδει μεταξύ 3,0 και 3,2 βολτ μέχρι να αποφορτιστεί πλήρως. Αυτή η ιδιότητα δίνει περισσότερα πλεονεκτήματα σε αυτές τις μπαταρίες όταν χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα, καθώς πρακτικά εξαλείφει την ανάγκη ρύθμισης τάσης.
Η τάση πλήρους εκφόρτισης είναι 2,0 βολτ, το χαμηλότερο καταγεγραμμένο όριο εκφόρτισης από οποιαδήποτε μπαταρία τεχνολογίας λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες είναι κορυφαίοιδιάρκεια ζωής, που ισοδυναμεί με 2000 κύκλους για φόρτιση και εκφόρτιση. Λόγω της ασφάλειας της χημικής τους δομής, οι μπαταρίες LiFePO4 μπορούν να φορτιστούν χρησιμοποιώντας μια ειδική μέθοδο επιταχυνόμενης δέλτα V όταν εφαρμόζεται μεγάλο ρεύμα στην μπαταρία.
Πολλές μπαταρίες δεν αντέχουν αυτή τη μέθοδο φόρτισης, προκαλώντας υπερθέρμανση και φθορά τους. Στην περίπτωση των μπαταριών λιθίου-σιδηρού-φωσφορικού, η χρήση αυτής της μεθόδου όχι μόνο είναι δυνατή, αλλά και συνιστάται. Επομένως, υπάρχουν ειδικοί φορτιστές ειδικά για τη φόρτιση τέτοιων μπαταριών. Φυσικά, τέτοιοι φορτιστές δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες με άλλη χημεία. Ανάλογα με τον παράγοντα μορφής, οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου σε αυτούς τους φορτιστές μπορούν να φορτιστούν πλήρως σε 15-30 λεπτά.
Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα των μπαταριών LiFePO4 προσφέρουν στον χρήστη μπαταρίες με βελτιωμένο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Εάν το τυπικό εύρος λειτουργίας για μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι -20 έως +20 βαθμοί Κελσίου, τότε οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου μπορούν να λειτουργήσουν τέλεια στην περιοχή από -30 έως +55. Η φόρτιση ή η αποφόρτιση μιας μπαταρίας σε θερμοκρασίες πάνω ή κάτω από αυτές που περιγράφονται θα βλάψει σοβαρά την μπαταρία.
Οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου επηρεάζονται πολύ λιγότερο από τη γήρανση σε σχέση με άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η γήρανση είναι η φυσική απώλεια χωρητικότητας με την πάροδο του χρόνου, η οποία είναι ανεξάρτητη από το εάν χρησιμοποιείται μπαταρία ήβρίσκεται στο ράφι. Συγκριτικά, όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χάνουν περίπου 10% χωρητικότητα κάθε χρόνο. Ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου χάνει μόνο 1,5%.
Το μειονέκτημα αυτών των μπαταριών είναι η χαμηλότερη χωρητικότητα, η οποία είναι 14% μικρότερη (ή έτσι) από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Ασφάλεια μπαταρίας σιδηροφωσφορικών
Αυτός ο τύπος μπαταριών θεωρείται ένας από τους ασφαλέστερους μεταξύ όλων των υπαρχόντων τύπων μπαταριών. Οι μπαταρίες φωσφορικού λιθίου LiFePO4 έχουν πολύ σταθερή χημεία και είναι σε θέση να αντέχουν καλά φορτία κατά την εκφόρτιση (σε λειτουργία χαμηλής αντίστασης) και τη φόρτιση (όταν φορτίζετε την μπαταρία με υψηλά ρεύματα).
Λόγω του γεγονότος ότι τα φωσφορικά άλατα είναι χημικά ασφαλή, αυτές οι μπαταρίες είναι πιο εύκολο να απορριφθούν αφού έχουν επεξεργαστεί τον πόρο τους. Πολλές μπαταρίες με επικίνδυνη χημεία (όπως το λίθιο-κοβάλτιο) πρέπει να υποβληθούν σε πρόσθετες διαδικασίες ανακύκλωσης προκειμένου να εξαλειφθούν οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι.
Φόρτιση μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Ένας από τους λόγους για το εμπορικό ενδιαφέρον των επενδυτών για τη χημεία των σιδηροφωσφορικών ήταν η δυνατότητα γρήγορης φόρτισης, που προέκυψε από τη σταθερότητά της. Αμέσως μετά την οργάνωση της απελευθέρωσης του μεταφορέα των μπαταριών LiFePO4, τοποθετήθηκαν ως μπαταρίες που μπορούν να φορτιστούν γρήγορα.
Ειδικοί φορτιστές έχουν παραχθεί για αυτόν τον σκοπό. Όπως ήδη αναφέρθηκε παραπάνω, τέτοιοι φορτιστές δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε άλλες μπαταρίες, καθώς αυτό θα προκαλέσει υπερθέρμανση και θα προκαλέσει μεγάλη ζημιάτους.
Ένας ειδικός φορτιστής για αυτές τις μπαταρίες μπορεί να τις φορτίσει σε 12-15 λεπτά. Οι μπαταρίες σιδηροφωσφορικών μπορούν επίσης να φορτιστούν με συμβατικούς φορτιστές. Υπάρχουν επίσης συνδυασμένες επιλογές φορτιστή και με τους δύο τρόπους φόρτισης. Η καλύτερη επιλογή, φυσικά, θα ήταν να χρησιμοποιήσετε έξυπνους φορτιστές με πολλές επιλογές για τον έλεγχο της διαδικασίας φόρτισης.
Συσκευή μπαταρίας φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Η μπαταρία λιθίου-σιδηροφωσφορικού LiFePO4 δεν έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στην εσωτερική δομή σε σύγκριση με τις αντίστοιχες στη χημική τεχνολογία. Μόνο ένα στοιχείο έχει υποστεί αλλαγή - μια κάθοδος από φωσφορικό σίδηρο. Το υλικό της ανόδου είναι λίθιο (όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν άνοδο λιθίου).
Η λειτουργία οποιασδήποτε μπαταρίας βασίζεται στην αναστρεψιμότητα μιας χημικής αντίδρασης. Διαφορετικά, οι διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στην μπαταρία ονομάζονται διαδικασίες οξείδωσης και αναγωγής. Οποιαδήποτε μπαταρία αποτελείται από ηλεκτρόδια - μια κάθοδο (μείον) και μια άνοδο (συν). Επίσης, μέσα σε οποιαδήποτε μπαταρία υπάρχει ένας διαχωριστής - ένα πορώδες υλικό εμποτισμένο με ένα ειδικό υγρό - ένας ηλεκτρολύτης.
Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται μέσω του διαχωριστή από την κάθοδο προς την άνοδο, εκπέμποντας το συσσωρευμένο φορτίο (οξείδωση). Όταν μια μπαταρία φορτίζεται, τα ιόντα λιθίου κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την άνοδο προς την κάθοδο, συσσωρεύοντας φορτίο (ανάκτηση).
Τύποι μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Όλοι οι τύποι μπαταριών σε αυτήν τη χημεία μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες:
- ΟλοκληρώθηκεΜπαταρία.
- Μεγάλα κύτταρα με τη μορφή παραλληλεπίπεδων.
- Μικρές κυψέλες σε μορφή παραλληλεπίπεδων (πρίσματα - μπαταρίες LiFePO4 στα 3,2 V).
- Μικρά κελιά νομισμάτων (πακέτα).
- Κυλινδρικές μπαταρίες.
Οι μπαταρίες και οι κυψέλες φωσφορικού σιδήρου λιθίου μπορούν να έχουν διαφορετικές ονομαστικές τάσεις από 12 έως 60 βολτ. Ξεπερνούν τις παραδοσιακές μπαταρίες μολύβδου-οξέος με πολλούς τρόπους: ο χρόνος κύκλου είναι πολύ μεγαλύτερος, το βάρος είναι αρκετές φορές χαμηλότερο και επαναφορτίζονται αρκετές φορές πιο γρήγορα.
Οι κυλινδρικές μπαταρίες σε αυτήν τη χημεία χρησιμοποιούνται τόσο ξεχωριστά όσο και σε αλυσίδα. Οι διαστάσεις αυτών των κυλινδρικών μπαταριών είναι πολύ διαφορετικές: από 14.500 (τύπος δακτύλου) έως 32.650.
Μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Μπαταρίες σιδηροφωσφορικού για ποδήλατα και ηλεκτρικούς κύκλους αξίζουν ιδιαίτερης προσοχής. Με την εφεύρεση μιας νέας καθόδου σιδήρου-φωσφορικού, μαζί με άλλους τύπους μπαταριών που βασίζονται σε αυτή τη χημεία, κυκλοφόρησαν ειδικές μπαταρίες, οι οποίες, λόγω των βελτιωμένων χαρακτηριστικών και του μικρότερου βάρους τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν άνετα ακόμη και σε συνηθισμένα ποδήλατα. Τέτοιες μπαταρίες κέρδισαν αμέσως δημοτικότητα μεταξύ των οπαδών της αναβάθμισης των ποδηλάτων τους.
Οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου μπορούν να προσφέρουν πολλές ώρες ξέγνοιαστης ποδηλασίας, κάτι που είναι ένας άξιος ανταγωνισμός για κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι οποίοι επίσης τοποθετούνταν συχνά σε ποδήλατα στο παρελθόν. Συνήθως για δεδομέναΓια σκοπούς, χρησιμοποιούνται μπαταρίες 48v LiFePO4, αλλά είναι δυνατή η αγορά μπαταριών για 25, 36 και 60 βολτ.
Εφαρμογή μπαταριών σιδηροφωσφορικών
Ο ρόλος των μπαταριών σε αυτή τη χημεία είναι ξεκάθαρος χωρίς σχόλια. Τα πρίσματα χρησιμοποιούνται για διαφορετικούς σκοπούς - μπαταρίες LiFePO4 3, 2 v. Μεγαλύτερες κυψέλες χρησιμοποιούνται ως στοιχεία ρυθμιστικών συστημάτων για ηλιακή ενέργεια και ανεμογεννήτριες. Οι μπαταρίες σιδηροφωσφορικών χρησιμοποιούνται ενεργά στην κατασκευή ηλεκτρικών οχημάτων.
Μικρές επίπεδες μπαταρίες χρησιμοποιούνται για τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και tablet PC. Κυλινδρικές μπαταρίες διαφορετικών παραγόντων μορφής χρησιμοποιούνται για πιστόλια airsoft, ηλεκτρονικά τσιγάρα, τηλεκατευθυνόμενα μοντέλα κ.λπ.
