Літій-залізо-фосфатні (LiFePO₄) акумулятори

Різновид літій-іонних акумуляторів, в яких катод виготовлений з літій-залізо-фосфату. Ця технологія відрізняється підвищеною безпекою, тривалим терміном служби та стабільністю, хоча має дещо нижчу енергоємність порівняно з традиційними Li-ion акумуляторами.

З чого виготовляють LiFePO₄ акумулятори?

Основні компоненти:

• Катод (позитивний електрод): LiFePO₄ (літій-залізо-фосфат)
  • Оліванова структура з формулою LiFePO₄
  • Залізо та фосфат роблять матеріал стабільним і безпечним
  • Часто додають вуглецеве покриття для покращення провідності
• Анод (негативний електрод): Графіт (як і в традиційних Li-ion)
  • Високоякісний вуглець з шаруватою структурою
  • Здатний інтеркалювати іони літію
• Електроліт: Розчин солей літію (LiPF₆) в органічних карбонатах
  • Забезпечує іонну провідність
  • Стабільніший при високих температурах порівняно з іншими Li-ion
• Сепаратор: Пориста мембрана з підвищеною термостійкістю
• Струмознімачі: Алюмінієва фольга для катода, мідна для анода

Як працюють катод та анод у LiFePO₄ акумуляторах?

Процес розряду:

1. Іони літію (Li⁺) вивільняються з графітового анода
2. Вони мігрують через електроліт до катода з LiFePO₄
3. Електрони рухаються через зовнішнє коло, живлячи пристрій
4. На катоді відбувається реакція включення літію в структуру фосфату заліза

Хімічна реакція:

• Анод: C₆Li → C₆ + Li⁺ + e⁻
• Катод: FePO₄ + Li⁺ + e⁻ → LiFePO₄

Процес заряду:

Зворотний процес:

1. Зовнішня напруга змушує іони літію покинути катод
2. Li⁺ повертаються до графітового анода
3. Електрони рухаються через зовнішнє коло назад до анода
4. Структура LiFePO₄ перетворюється на FePO₄ + Li

Ключова особливість:

Структура оліванового типу (olivine) в LiFePO₄ забезпечує дуже стабільні зв’язки P-O, що робить катод термічно та хімічно стійким. Це означає, що навіть при перегріві або механічному пошкодженні ймовірність займання або вибуху мінімальна.

Форм-фактори LiFePO₄ акумуляторів

1. Призматичні елементи

• Розміри: стандартизовані формати (наприклад, 3.2V 100Ah, 200Ah, 280Ah)
• Застосування: системи зберігання енергії, електромобілі, морський транспорт
• Переваги: легка збірка в батарейні блоки, ефективне охолодження

2. Циліндричні елементи

• Розміри: 18650, 26650, 32650, 32700
• Застосування: електровелосипеди, електроінструменти, портативні станції
• Переваги: механічна міцність, стандартизація

3. Pouch (пакетні) елементи

• Конструкція: гнучка упаковка в алюмінієвому ламінаті
• Застосування: електромобілі, дрони, спеціальні застосування
• Переваги: мінімальна вага, гнучкість дизайну

4. Батарейні модулі та блоки

• Конфігурація: готові збірки з BMS (системою управління)
• Напруга: 12V, 24V, 48V системи
• Застосування: сонячні електростанції, автономні системи, RV/кемпери

Порівняння напруги:

• Номінальна напруга елемента: 3.2V (проти 3.6-3.7V у традиційних Li-ion)
• Напруга заряду: 3.6-3.65V
• Напруга розряду: 2.5V (мінімальна)

Переваги LiFePO₄ акумуляторів з Li-ion:

• ✅ Висока безпека: не займаються, термічно стабільні
• ✅ Тривалий термін служби: 2000-5000+ циклів (до 10000 при правильній експлуатації)
• ✅ Стабільна розрядна характеристика: плоска крива напруги
• ✅ Екологічність: не містять кобальту, нікелю
• ✅ Широкий діапазон температур: -20°C до +60°C
• ✅ Швидкий заряд: можливість заряду струмом до 1C-3C
• ✅ Низький саморозряд: 1-3% на місяць

Недоліки:

• ⚠️ Нижча енергоємність: 90-160 Вт·год/кг (проти 150-250 у NMC)
• ⚠️ Нижча напруга елемента (потрібно більше елементів для досягнення тієї ж напруги)
• ⚠️ Більша вага та об’єм для тієї ж ємності
• ⚠️ Погана продуктивність при дуже низьких температурах без підігріву

Основні застосування LiFePO₄:

• 🔋 Системи накопичення енергії (ESS)
• 🚗 Електромобілі (особливо комерційний транспорт)
• ⛵ Морські застосування
• 🏕️ Кемпінгові та RV системи
• ☀️ Сонячні електростанції
• 🏭 Промислові застосування
• 🚲 Електровелосипеди та скутери

Порівняльна таблиця: Li-ion vs LiFePO₄