Что лучше: LiFePO4 или литий-ионный аккумулятор?

При выборе подходящего аккумулятора для ваших нужд существует множество факторов, которые нужно учитывать. LiFePO4 и литий-ионные аккумуляторы являются популярными вариантами, но какой из них лучше? Эта статья сравнит эти два типа аккумуляторов по их характеристикам, экологическому воздействию и стоимости, чтобы помочь вам принять обоснованное решение при выборе между LiFePO4 и литий-ионными аккумуляторами.

Обзор литий-ионных аккумуляторов

История и развитие литий-ионных аккумуляторов

История и развитие литий-ионных аккумуляторов началась в 1970-х годах с реальных работ ученых по этой технологии. В 1985 году Акира Ёсино разработал прототип современного литий-ионного аккумулятора, в котором использовался углеродный анод вместо литий-металлического. Это было коммерциализировано командой Sony и Asahi Kasei под руководством Ёсио. 

В конце 1970-х годов команда ученых со всего мира начала разработку литий-ионных аккумуляторов, которые позже использовались в потребительских товарах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, в 1996 году. Гуденофф, Аксая Падхи и их коллеги предложили использование литий-железа в 1990-х годах. 

В 1991 году Sony коммерциализировала вторичные литий-ионные аккумуляторы, что привело к быстрому росту продаж и преимуществам по сравнению с системами перезаряжаемых аккумуляторов. Алессандро Вольта изобрел первую настоящую батарею в 1800 году, состоящую из медных (Cu) и цинковых дисков, сложенных вместе. С тех пор достигнуты значительные успехи в области литий-ионных аккумуляторов.

Как работают литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы передают литий-ионы и электроны от анода к катоду. Перемещение литий-ионов создает свободные электроны в аноде, что создает заряд на положительном токопроводе. Этот электрический ток течет от токопроводящего элемента через устройство (мобильный телефон, компьютер и т.д.) к отрицательному токопроводу. 

На аноде нейтральный литий окисляется и отдает свой один электрон, движущийся к катоду. В то же время на катоде молекулы кислорода принимают эти электроны и соединяются с литий-ионами, образуя молекулы литий-пероксида. Этот процесс обратим при зарядке аккумулятора: молекулы кислорода распадаются и высвобождают электроны и литий-ионы, которые возвращаются к аноду. Этот цикл зарядки и разрядки позволяет литий-ионным аккумуляторам обеспечивать стабильный источник питания.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы предлагают множество преимуществ по сравнению с другими типами перезаряжаемых аккумуляторов. Одним из основных преимуществ этих аккумуляторов является их высокая энергетическая плотность, которая составляет от 100 до 265 Вт·ч/кг, что является одним из самых высоких показателей на рынке перезаряжаемых аккумуляторов. Это обеспечивает более длительное время зарядки и лучший соотношение мощности к весу по сравнению с другими типами аккумуляторов. 

Кроме того, эти аккумуляторы имеют долгий срок хранения, оцениваемый в 5-7 лет при температуре 20°C. Они также обладают высокой энергоэффективностью и низким уровнем саморазряда. Более того, литий-аккумуляторы имеют большую глубину разряда по сравнению с другими типами аккумуляторов. Все эти характеристики делают литий-ионные аккумуляторы привлекательным выбором для многих применений.

Фоновые сведения о батареях LiFePO4

История и развитие батарей LiFePO4

История и развитие батарей LiFePO4 восходит к 1970-м годам, когда начались фундаментальные работы по литий-ионным батареям. С тех пор достигнуты значительные успехи в разработке батарей LiFePO4. 

Уиттингем предложил использовать литий в аккумуляторах в 1976 году, когда он работал инженером в российской нефтяной компании. В 1996 году исследовательская группа Джона Б. Гуденауфа из Университета Техаса опубликовала свои исследования по LiFePO4 в качестве катодного материала. 

Впоследствии технология была дополнительно разработана и усовершенствована, что привело к быстрой зарядке, большей автономности, более легким батареям и сниженной стоимости. Более того, полимерные электролиты позволили добиться большей свободы в дизайне и более высокой энергоемкости. Сегодня батареи LiFePO4 используются в различных сферах благодаря своей низкой стоимости и долгому сроку службы.

Как работают батареи LiFePO4

Батареи литий-железо-фосфат (LiFePO4) — это перезаряжаемые литий-ионные (Li-Ion) батареи. В батареях LiFePO4 используют литий-железо-фосфат в качестве материала для катода, а также графитовый электрод и металлический токопроводник. При зарядке батареи зарядное устройство пропускает ток, и ионы лития перемещаются внутрь или из материала LiFePO4. Этот процесс высвобождает электроэнергию при разрядке батареи. 

Преимущества батарей LiFePO4 по сравнению с другими литий-ионными батареями включают их способность работать в широком диапазоне температур, что делает их подходящими для различных применений.

Преимущества батарей LiFePO4

Батареи LiFePO4 обладают множеством преимуществ по сравнению с другими литиевыми и свинцово-кислотными батареями. Они имеют более долгий срок службы, с возможностью хранения до 350 дней, и могут служить в четыре раза дольше, чем свинцово-кислотные батареи. 

Кроме того, батареи LiFePO4 обеспечивают высокую разрядную способность почти 100% против 80% у свинцово-кислотных батарей, что означает необходимость меньшего количества циклов зарядки. Недавние независимые тесты деградации также доказали, что химия LiFePO4 безопаснее и имеет более долгий срок службы, чем другие литиевые батареи. Все эти преимущества делают батареи LiFePO4 идеальным выбором для портативных и стационарных приложений.

Сравнение литий-ионных и LiFePO4 батарей

Сравнение литий-ионных (Li-ion) и LiFePO4 батарей важно для определения наилучшего варианта для различных применений. Литий-ионные батареи обладают большей энергоемкостью, с диапазоном от 160 до 265 Втч/кг, тогда как батареи LiFePO4 имеют энергоемкость около 100-170 Втч/кг. 

Батареи LiFePO4 имеют более долгий срок службы — 5-7 лет по сравнению с 3-5 годами у литий-ионных батарей. Также, батареи LiFePO4 считаются безопаснее из-за более низких рабочих напряжений и лучшего профиля безопасности. Стоимость также является важным фактором: литий-ионные батареи обычно дороже, чем LiFePO4. 

Наконец, при сравнении следует учитывать жизненный цикл, климатические и стоимостьные воздействия обеих батарей. Литий-ионные батареи оказывают более значительное воздействие на окружающую среду, чем батареи LiFePO4.

Применение литий-ионных и LiFePO4 батарей

Литий-ионные батареи широко используются в различных электронных устройствах, от смартфонов и ноутбуков до систем хранения энергии. Эти перезаряжаемые батареи обладают высокой энергоемкостью, долгим циклом работы и низким уровнем саморазряда, что делает их идеальными для питания портативных устройств. Литий-ионные батареи также имеют потенциал для крупномасштабных применений, таких как системы хранения энергии на уровне сети. 

Батареи LiFePO4 также становятся все более популярными благодаря своей более низкой стоимости и отсутствию кобальта в конструкции. Их часто используют в лодках, солнечных системах и транспортных средствах, таких как подключаемые гибриды и полностью электрические автомобили. Батареи LiFePO4 имеют преимущества перед литий-ионными, такие как более высокая тепловая стабильность и более долгий жизненный цикл. Обе батареи не следует выбрасывать в бытовой мусор или в контейнеры для переработки, для их правильной утилизации требуются специальные перерабатывающие предприятия.

Заключение

После обзора ключевых аспектов сравнения между литий-ионными и LiFePO4 аккумуляторами ясно, что у этих технологий есть свои преимущества и недостатки. Литий-ионные элементы обладают большей энергоемкостью, более высокой мощностью и являются более экономически выгодными, чем аккумуляторы LiFePO4. Однако элементы LiFePO4 имеют более долгий срок службы и безопаснее, чем литий-ионные аккумуляторы. В зависимости от применения одна из технологий может быть более подходящей. Например, если вам нужен высокий выход мощности и вы не против менять аккумулятор каждые несколько лет, то литий-ионные аккумуляторы могут быть лучшим выбором. Однако, если безопасность важнее или вам требуется более длительный срок службы аккумулятора, то элементы LiFePO4 могут быть лучшим вариантом.