Преимущества литиевых аккумуляторов

Развитие рынка энергетики и электроники неизбежно повышает спрос на аккумуляторы для накопления энергии. Хотя самой распространенной технологией по прежнему являются свинцово-кислотные аккумуляторы, но все большую конкуренцию им составляют АКБ на основе лития. Они имеют ряд существенных преимуществ как высокая энергоемкость, больший срок службы, возможность работать в широком температурном диапазоне и др.

Разработки аккумуляторов с анодом на основе лития начались несколько десятков лет назад. Но последние годы технологии уходят от использования чистого лития, поскольку в процессе заряда происходит постепенное исключение лития из электрохимических процессов. После некоторого количества циклов электроды изнашиваются, и нарушается нормальный температурный режим внутри аккумулятора. Возможен разогрев элемента до точки плавления лития с переходом реакции в неконтролируемую стадию.

Поэтому сейчас в аккумуляторах вместо лития в чистом виде чаще применяются его сплавы. В настоящее время наибольшее распространение получили литий-железо фосфатные аккумуляторы (LiFePo₄), разрабатываемые начиная с 1997 года. Они имеют ряд ключевых преимуществ как надежность и пожаробезопасность, долговечность и меньшую стоимость.

Химический процесс в литиевом аккумуляторе LiFePo4

Такие аккумуляторные батареи строятся на основе ячеек (элементов) с рабочим напряжением 3-3.3 В, которые объединяются в единую систему с блоком управления батареи (BMS, Battery Management System). Основная задача BMS обеспечить равномерный заряд последовательно включенных ячеек выравнивания напряжение на них. Превышение порогового напряжения ячейки аккумулятора на базе лития может привести к его перегреву и даже взрыву, поэтому BMS является важным элементом каждой батареи.

Система обеспечивает постоянный контроль всех ячеек в батарейном массиве и выдачу информации об их состоянии на верхний уровень. Обеспечивается температурная компенсация зарядного тока и напряжения, управление отключением батареи для защиты от глубокого разряда, ограничение тока заряда и т.д. Если для свинцово-кислотных аккумуляторов допускается включать в одну линейку только ячейки одного типа и даже очень желательно из одной партии, то в аккумуляторах на основе лития возможна поэлементная замена ячеек батарей. Модуль BMS контролирует параметры каждой отдельной ячейки, что позволяет заменять их без влияния на работу всей системы в целом. Подобная конструкция позволяет существенно снизить стоимость эксплуатации системы и повысить степень ее готовности за счет минимизации затрат на ремонт.

Контроллер BMS литиевого аккумулятора

Литиевые аккумуляторы допускают ток заряда от 0,1С до 0,7, то есть до 7 раз больше чем традиционные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Как правило, заряд осуществляется контроллером BMS в два этапа. Первый этап заряда постоянным током реализуется за счет поддержания на элементе необходимого напряжения. Второй этап начинается при достижении определенного порогового уровня напряжения на элементе (например, для LiFePo₄ равно 3,65 В). После этого контроллер поддерживает постоянное напряжение на элементе, отдавая ему необходимый ток. После снижения тока до нескольких десятков миллиампер элемент считается полностью заряженным. Для выполнения корректного заряда литиевых аккумуляторов пороговые значения, заданные в системе BMS, должны точно соответствовать используемым ячейкам. Превышение порогового напряжения на них может привести к опасному перегреву ячеек.

Рабочий температурный диапазон для большинства литиевых аккумуляторов составляет от -20 до +55 ⁰С, но заряд должен выполняться при плюсовой температуре. Дополнительно для эксплуатации при низких температурах в корпус аккумуляторной батареи может встраиваться дополнительный нагреватель.

Большое количество циклов заряда-разряда, высокие разрядные характеристики и широкий температурный диапазон, возможность быстрого заряда большими токами и контроль всех параметров позволят аккумуляторам на основе лития постепенно заменить свинцово-кислотные АКБ во всех отраслях, включая связь, энергетику и информационные технологии. Постоянное снижение цен производителей по мере увеличения объема рынка позволит реализовать это в ближайшие годы.