Ma sok különböző típusú kémiai elemmel rendelkező akkumulátor létezik. Manapság a legnépszerűbb akkumulátorok a lítium-ion akkumulátorok. Ebbe a csoportba tartoznak a lítium-vas-foszfát (ferrofoszfát) akkumulátorok is. Bár az ebbe a kategóriába tartozó összes akkumulátor műszaki jellemzőit tekintve nagyjából hasonló, a lítium-vas-foszfát akkumulátorok saját egyedi jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek megkülönböztetik őket a lítium-ion technológiával készült többi akkumulátortól.
A lítium-vas-foszfát akkumulátor felfedezésének története
A LiFePO4 akkumulátor feltalálója John Goodenough, aki 1996-ban a Texasi Egyetemen dolgozott a lítium-ion akkumulátorok új katódanyagán. A professzornak sikerült olyan anyagot készítenie, amely olcsóbb, kevésbé mérgező és magas hőstabilitású. Az új katódot használó akkumulátor hiányosságai között szerepel az alacsonyabb kapacitás.
Senkit sem érdekelt John Goodenough találmánya, de 2003-ban az A 123 Systems úgy döntött, hogy kifejleszti ezt a technológiát, mivel meglehetősen ígéretesnek tartotta. Sok nagyvállalat vált befektetővé ebbe a technológiába – Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
A LiFePO4 akkumulátorok jellemzői
A ferrofoszfát akkumulátor feszültsége megegyezik a többi lítium-ion technológiás akkumulátoréval. A névleges feszültség az akkumulátor méretétől (mérettől, alaktényezőtől) függ. A 18 650-es akkumulátoroknál ez 3,7 volt, 10 440-nél (kisujjak) - 3,2, 24 330-nál - 3,6.
Szinte az összes akkumulátor feszültsége fokozatosan csökken a kisütés során. Az egyik egyedülálló tulajdonság a feszültség stabilitása LiFePO4 akkumulátorokkal végzett munka során. A nikkeltechnológiával (nikkel-kadmium, nikkel-fém-hidrid) készült akkumulátorok feszültségjellemzői hasonlóak ezekhez.
Mérettől függően a lítium-vas-foszfát akkumulátor 3,0 és 3,2 volt közötti feszültséget képes leadni a teljes lemerülésig. Ez a tulajdonság több előnyt biztosít ezeknek az akkumulátoroknak, ha áramkörökben használják őket, mivel gyakorlatilag nincs szükség feszültségszabályozásra.
A teljes kisülési feszültség 2,0 volt, a lítiumtechnológiás akkumulátorok legalacsonyabb rögzített kisülési határa. Ezek az akkumulátorok vezető szerepet töltenek beélettartama, amely 2000 töltési és kisütési ciklusnak felel meg. Kémiai szerkezetük biztonságossága miatt a LiFePO4 akkumulátorok speciális gyorsított delta V módszerrel tölthetők, ha nagy áramot alkalmaznak az akkumulátorra.
Sok akkumulátor nem bírja ezt a töltési módot, ami túlmelegedést és károsodást okoz. A lítium-vas-foszfát akkumulátorok esetében ennek a módszernek a használata nem csak lehetséges, de még ajánlott is. Ezért speciális töltők vannak kifejezetten az ilyen akkumulátorok töltésére. Természetesen az ilyen töltők nem használhatók más vegyi anyagú akkumulátorokhoz. Az alaktényezőtől függően ezeken a töltőkészülékeken a lítium-vas-foszfát akkumulátorok 15-30 perc alatt teljesen feltölthetők.
A LiFePO4 akkumulátorok terén elért legújabb fejlesztések javított üzemi hőmérséklet-tartományban kínálják a felhasználó akkumulátorait. Ha a lítium-ion akkumulátorok normál működési tartománya -20 és +20 Celsius fok között van, akkor a lítium-vas-foszfát akkumulátorok -30 és +55 közötti tartományban működhetnek tökéletesen. Az akkumulátor töltése vagy kisütése a leírtnál magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten súlyosan károsítja az akkumulátort.
A lítium-vas-foszfát akkumulátorokat sokkal kevésbé érinti az öregedési hatás, mint a többi lítium-ion akkumulátort. Az öregedés a kapacitás természetes elvesztése az idő múlásával, amely független attól, hogy akkumulátort használnak-e, illa polcon van. Összehasonlításképpen, minden lítium-ion akkumulátor évente körülbelül 10%-ot veszít kapacitásából. A lítium-vas-foszfát mindössze 1,5%-ot veszít.
Ezeknek az akkumulátoroknak a hátránya az alacsonyabb kapacitás, ami 14%-kal kisebb (vagy kevesebb), mint más lítium-ion akkumulátoroknál.
Ferrofoszfát akkumulátor biztonsága
Ez az akkumulátortípus az egyik legbiztonságosabb elem a létező akkumulátortípusok közül. A LiFePO4 lítium-foszfát akkumulátorok nagyon stabil kémiai összetételűek, és jól ellenállnak a nagy terheléseknek kisütéskor (alacsony ellenállású üzemmódban) és töltéskor (az akkumulátor nagy áramerősségű töltésekor).
Mivel a foszfátok vegyileg biztonságosak, ezeket az akkumulátorokat könnyebb megsemmisíteni, miután kimerítették az erőforrásaikat. Sok veszélyes kémiai elemet (például lítium-kob altot) tartalmazó akkumulátort további újrahasznosítási eljárásokon kell átesni a környezeti veszélyek kiküszöbölése érdekében.
Lítium-vas-foszfát akkumulátorok töltése
A befektetők ferrofoszfátkémia iránti kereskedelmi érdeklődésének egyik oka a stabilitásból adódó gyors töltési képesség volt. Közvetlenül a LiFePO4 akkumulátorok szállítószalag-kibocsátásának megszervezése után gyorsan feltölthető akkumulátorként helyezték el őket.
Speciális töltőket gyártottak erre a célra. Mint fentebb említettük, az ilyen töltők nem használhatók más akkumulátorokhoz, mivel ezek túlmelegedhetnek, és nagymértékben károsodhatnak.őket.
Egy speciális töltővel ezekhez az akkumulátorokhoz 12-15 perc alatt fel lehet tölteni őket. A ferrofoszfát akkumulátorok hagyományos töltőkkel is tölthetők. Vannak kombinált töltő opciók is mindkét töltési móddal. A legjobb megoldás természetesen az lenne, ha intelligens töltőket használnánk, amelyek számos lehetőséget kínálnak a töltési folyamat szabályozására.
Lítium-vas-foszfát akkumulátoros eszköz
A lítium-vas-foszfát LiFePO4 akkumulátor belső felépítésében nem rendelkezik különleges tulajdonságokkal a vegyipari társaihoz képest. Csak egy elem változott – egy vas-foszfátból készült katód. Az anód anyaga lítium (minden lítium-ion akkumulátor lítium anóddal rendelkezik).
Minden akkumulátor működése egy kémiai reakció visszafordíthatóságán alapul. Egyébként az akkumulátor belsejében lezajló folyamatokat oxidációs és redukciós folyamatoknak nevezzük. Bármely akkumulátor elektródákból áll - egy katódból (mínusz) és egy anódból (plusz). Ezenkívül minden akkumulátor belsejében van egy elválasztó - egy porózus anyag, amelyet speciális folyadékkal - elektrolittal - impregnáltak.
Ha az akkumulátor lemerül, a lítium-ionok a leválasztón keresztül a katódról az anódra jutnak, és leadják a felgyülemlett töltést (oxidációt). Amikor egy akkumulátort töltenek, a lítium-ionok az anódtól a katód felé az ellenkező irányba mozognak, és felhalmozzák a töltést (helyreállítás).
Lítium-vas-foszfát akkumulátorok típusai
Az összes elemtípus ebben a kémiában négy kategóriába sorolható:
- BefejezveAkkumulátor.
- Nagy cellák paralelepipedon formájában.
- Kis cellák paralelepipedon formájában (prizmák – LiFePO4 akkumulátorok 3,2 V-on).
- Kis érmecellák (csomagok).
- Hengeres elemek.
A lítium-vas-foszfát akkumulátorok és cellák névleges feszültsége 12 és 60 V között eltérő lehet. Sok tekintetben felülmúlják a hagyományos ólom-savas akkumulátorokat: a ciklusidő sokkal hosszabb, a súlyuk többszöröse, és többször gyorsabban töltődnek fel.
Ebben a kémiában a hengeres elemeket külön-külön és láncban is használják. Ezeknek a hengeres elemeknek a mérete nagyon eltérő: 14 500-tól (ujj típusú) 32 650-ig.
Lítium-vas-foszfát akkumulátorok
Ferrofoszfát akkumulátorok kerékpárokhoz és elektromos kerékpárokhoz külön figyelmet érdemelnek. Az új vas-foszfát katód feltalálásával, más, ezen a kémián alapuló akkumulátorokkal együtt olyan speciális akkumulátorok jelentek meg, amelyek javított tulajdonságaik és könnyebb súlyuk miatt kényelmesen használhatóak akár hagyományos kerékpárokon is. Az ilyen akkumulátorok azonnal népszerűvé váltak a kerékpárjaik fejlesztését kedvelők körében.
A lítium-vas-foszfát akkumulátorok több órányi gondtalan kerékpározást képesek biztosítani, ami méltó versenyt jelent a korábban kerékpárokra is gyakran szerelt belsőégésű motorok számára. Általában adatokracélokra 48 V-os LiFePO4 akkumulátorok használatosak, de lehetőség van 25, 36 és 60 voltos akkumulátorok vásárlására is.
Ferrofoszfát akkumulátorok alkalmazása
Az elemek szerepe ebben a kémiában megjegyzés nélkül egyértelmű. A prizmákat különböző célokra használják - LiFePO4 3, 2 V akkumulátorok. A nagyobb cellákat a napenergia és a szélturbinák pufferrendszereinek elemeiként használják. A ferrofoszfát akkumulátorokat aktívan használják elektromos járművek gyártásában.
Kis lemerült akkumulátorokat telefonokhoz, laptopokhoz és táblaszámítógépekhez használnak. Különböző formájú hengeres elemeket használnak airsoft fegyverekhez, elektronikus cigarettákhoz, rádióvezérlésű modellekhez stb.
