A123 LiFePO4 (Li-Fe) литий-фосфатные аккумуляторы

A123 LiFePO4 (Li-Fe) литий-фосфатные аккумуляторы

a123_001

Современная электроника предъявляет все более высокие требования к мощности и емкости источников энергии. В то время как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы вплотную приблизились к своему теоретическому пределу, литий-ионные технологии находятся только в начале пути

Li-Fe (литий фосфатные) аккумуляторы отличаются не только большой емкостью, но и быстротой зарядки. Всего за 15 минут можно полностью зарядить аккумулятор. К тому же такие аккумуляторы допускают в 10 раз больше циклов зарядки-разрядки, чем обычные модели. Идея Li-Fe аккумулятора заключается в активизации литиево-ионного обмена между электродами. С помощью наночастиц удалось развить обменную поверхность электродов и получить более интенсивный ионный поток. Чтобы исключить слишком сильное нагревание и возможный взрыв электродов, авторы разработки применили в катодах вместо лития/оксида кобальта литий/фосфат железа. Недостаточная электропроводность нового материала компенсируется введением наночастиц алюминия, марганца или титана.

Для заряда Li-Fe аккумуляторов должно применяться специальное зарядное устройство с маркировкой, на которой написано, что данный тип зарядного устройства способен работать с Li-Fe аккумуляторами, в противном случае вы погубите аккумулятор!

Достоинства

  • Безопасный прочный корпус, в отличие от оболочек Li-Po аккумуляторов
  • Сверхбыстрый заряд (при токе 7А полный заряд за 15 мин !!!)
  • Очень большой ток отдачи 60А — рабочий режим; 132А — кратковременный режим (до 10-ти секунд)
  • Саморазряд 3% за 3 года
  • Работают на холоде (до -30 гр. С) без потери рабочих свойств
  • Наработка на отказ 1000 циклов (в трое больше, чем у никелевых аккумуляторов)

Недостатки

  • Требуют специального зарядного устройства (не совместимы с LiPo зарядниками)
  • Тяжелее, чем Li-Po

Немного истории

Li-ion аккумуляторы вдвое превосходят NiMH аналоги по емкости и почти в три раза – по удельной мощности. Плотность энергии Li-ion втрое выше, чем у NiMH. Li-ion выдерживает очень высокие токи разряда, которые NiMH батареи не способны держать даже теоретически. Также NiMH малопригодны для мощных переносных инструментов, для которых характерны высокие импульсные нагрузки, долго заряжаются и «живут» обычно не более 500 циклов. Хранение NiMH – еще одна серьезная проблема. Эти аккумуляторы страдают от очень высокого саморазряда – до 20% в месяц, а у Li-ion этот показатель равен всего 2–5%. NiMH аккумуляторы подвержены так называемому эффекту памяти, свойственному также NiCd батареям.

Но и у Li-ion батарей есть свои недостатки. Они очень дороги, требуют сложной многоуровневой электронной системы управления из-за склонности к необратимой деградации при слишком глубоком разряде или самовозгоранию при высоких нагрузках. Этим они обязаны основному электродному материалу – кобальтату лития (LiCoO2). Ученые уже несколько лет бьются над поисками замены для кобальта. В качестве кандидатов на должность главного электродного материала будущего выступают различные соединения лития – манганаты, титанаты, станнаты, силикаты и другие. Но безусловным фаворитом на сегодняшний день считается феррофосфат лития Li-Fe, полученный впервые еще в 1996 году профессором Джоном Гуденафом из Техасского университета. Долгое время эта тема пылилась на полке, так как Li-Fe ничем выдающимся, кроме дешевизны, не отличался и его потенциал оставался неизученным. Все изменилось в 2003 году с появлением компании A123 Systems.

Характеристики Li-Fe аккумуляторов

Как и все аккумуляторы Li-Fe имеет несколько основных электрических параметров:

Напряжение полностью заряженного элемента: У Li-Fe составляет порядка 3.65В, В связи с особенностями данной технологии эти элементы не сильно боятся перезаряда (по крайней мере он не вызывает возгорание и взрыв как это происходит с элементами на основе кобальтата лития Li-ion, Li-pol) хотя производители крайне не рекомендуют заряд выше 3.9В и только несколько зарядов до 4.2В за всё время жизни элемента.

Напряжение полностью разряженного элемента: Здесь рекомендации производителей несколько расходятся, некоторые рекомендуют разряжать элементы до 2,5В, некоторые до 2,0В. Но в любом случае по практике эксплуатации всех типов аккумуляторов установлено что чем меньше глубина разряда тем больше циклов этот аккумулятор может пережить, а количество энергии которое приходится на последние 0,5В разряда (для Li-Fe) составляет лишь несколько процентов от его емкости.

Напряжение средней точки: у элементов данной технологии у разных производителей варьируется (заявляется) от 3.2В до 3.3В. Напряжение средней точки это напряжение которое вычисляется на основании кривой разряда и предназначено для вычисления габаритной ёмкости аккумулятора которая выражается в Wh (ватт часы) для этого напряжение средней точки умножают на ёмкость по току т.е например у вас имеется элемент имеющий ёмкость 1.1Ач и напряжение средней точки 3.3В то его габаритная ёмкость равна 3.3*1.1=3.65Wh. (Многие часто путают напряжение средней точки с напряжением полностью заряженного элемента.)

В связи с этим хотелось бы обратить внимание на ТТХ батарей, а точнее на напряжение средней точки 36В и 48В Li-Fe батареи. Так вот напряжение в 36В и 48В указанны условно в привязке к более привычной для многих свинцово-кислотной батарее, а точнее к напряжению средней точки 3 или 4 свинцово-кислотных батарей на 12В соединённых последовательно. У Li-Fe батареи на 36В последовательно подключены 12 ячеек (элементов) что составляет 3.2*12=38.4В (для 48В батареи 3.2*16=51.2В) что несколько выше средних точек свинцово-кислотных батарей, т.е при равных ёмкостях (в Ач) Li-Fe батарея имеет бОльшую габаритную емкость, чем свинцово-кислотная батарея.

На данный момент основной производственной базой по изготовлению Li-Fe элементов является Китай. Там расположены заводы как известных фирм (A123System, BMI), так и заводы никому неизвестных компаний. Многие продавцы готовых батарей (торгующих ими в розницу) заявляют, что они являются и изготовителями самих элементов, что на поверку оказывается неправдой. Крупные производители элементов производящие их тиражами в миллионы штук в год не заинтересованны в работе с розничными клиентами и просто игнорируют вопросы о продаже десятков штук элементов, или предлагают сделать закупку в объёмах, от нескольких тысяч штук. Так же есть небольшие предприятия на которых полукустарным способом изготавливают элементы небольшими партиями, но качество подобных элементов крайне низкое, причина тому: отсутствие высококачественных материалов, оборудования и низкая технологическая дисциплина. Такие элементы имеют очень большой разброс по ёмкости и внутреннему сопротивлению  в пределах даже одной партии. Так же на рынке сборки готовых батарей присутствуют элементы выпущенные крупными производителями, но в силу того, что они не прошли отбраковку по определённым параметрам (ёмкость, внутреннее сопротивление, падение напряжения при хранении), они не попадают на рынок и должны пройти утилизацию. Вот эти элементы и являются основой для сборки батарей мелкими кустарными предприятиями. Основное отличие подобных элементов от элементов кондиционного качества выпущенного крупными производителями — это отсутствие маркировки на каждом элементе. Маркировка наносится на заводе изготовителе при финальных тестах и служит идентификатором завода изготовителя, даты и смены изготовления. Эта информация необходима для крупных производителей, чтобы в дальнейшем отслеживать качество элементов при эксплуатации и в случае претензий, иметь возможность найти причину проблемы. Как вы сами понимаете для тех, кто выпускает элементы в кустарных условиях, смысла в подобной операции нет.
По этим ссылкам можно посмотреть тесты наиболее известных производителей элементов:

Кстати что интересно по результатам проверок почти все производители заявляют ёмкость больше, чем она есть в наличии (исключение только у A123 system), а у  Huanyu вообще на четверть ниже заявленной.

Неожиданное открытие

A123 Systems – необычная компания. В разговорах ее сотрудники, от рядового инженера до президента, частенько повторяют одну фразу, которую не часто услышишь в наши дни: «Мы находимся только в начале дороги. Пройдя по ней до конца, мы перевернем мир!» История A123 Systems началась в конце 2000 года в лаборатории профессора Йет Мин Чанга из Массачусетсского технологического института (MIT). Чанг, долгое время работавший над Li-ion технологиями, почти случайно обнаружил потрясающий феномен. При определенном воздействии на коллоидный раствор электродных материалов структура батареи начинала самовоспроизводиться! Силы притяжения и отталкивания зависели от множества факторов – размеров, формы и количества самих частиц, свойств электролита, электромагнитного поля и температуры. Чанг провел детальные исследования физико-химических свойств электродных наноматериалов и определил базовые параметры запуска процесса спонтанной самоорганизации. Полученные батареи обладали удельной емкостью, на треть превышающей емкость обычных батарей на основе кобальтата лития, и выдерживали сотни циклов заряда-разряда. Микроструктура электродов, созданная естественным путем, позволяла на порядок увеличить общую площадь активной поверхности и ускорить ионообмен, что в свою очередь повышало емкость и производительность батареи.

Самоорганизация по методу Чанга выглядит следующим образом: смесь наночастиц оксида кобальта и графита помещается в корпус будущей батареи, добавляется электролит и создаются необходимые внешние условия – температура, электромагнитное поле и давление. Частицы оксида кобальта притягиваются друг к другу, но отталкивают частицы графита. Процесс длится до тех пор, пока силы притяжения и отталкивания не достигнут равновесия. В результате образуется пара анод–катод, полностью разделенная интерфазой – электролитом. За счет одинакового размера наночастиц Чангу в лабораторных условиях удалось создать образцы батарей с заданными параметрами емкости и производительности. Дальнейшее изучение этого феномена и разработка технологии производства на его основе сулили фантастические перспективы. По расчетам Чанга, емкость аккумуляторов можно было бы удвоить в сравнении с существующими аналогами, а себестоимость – снизить наполовину. Метод самоорганизации позволял создавать батареи любой формы размером меньше спичечной головки, в том числе непосредственно внутри самих потребителей тока.

Шаг в большой бизнес

В то время инженер-электрохимик Барт Райли работал в компании American Semiconduct or, выпускавшей широкую номенклатуру полупроводников. С Чангом его связывали давнее знакомство и общие научные интересы. Когда Чанг рассказал Райли о своей неожиданной находке, идея создания бизнеса на основе феномена самоорганизации родилась практически сразу. Но ни тот, ни другой не имели понятия, как создаются компании. Третьим основателем А123 Systems стал Рик Фулап, предприниматель, умеющий превращать хорошие идеи в большие деньги. К своим 26 годам Фулап успел создать с нуля и запустить на просторы большого бизнеса уже пять компаний. Однажды в научном журнале MIT Фулап наткнулся на статью профессора Чанга, посвященную литий-ионным технологиям. Не поняв ничего из прочитанного, Рик набрал телефонный номер профессора. В ответ на предложение заняться бизнесом по производству углеродных нановолокон Чанг ответил, что у него есть идея получше, и Фулап не смог уснуть до утра.

Первым делом компаньоны сумели получить лицензию от MIT на промышленное использование методики самоорганизации батарей и выкупить права на полученный в лаборатории Чанга катодный материал – литийфосфат железа. Он не имел никакого отношения к феномену самоорганизации, но Фулап решил, что права на Li-Fe не помешают. Не пропадать же добру! К тому же Чанг получил специальный грант для продолжения исследований по Li-Fe. В сентябре 2001 года Рик Фулап уже мотался по венчурным фондам в поисках подъемных средств. Ему удалось создать конкуренцию среди инвесторов, подогревая ее все новыми и новыми сообщениями в прессе о фантастических рыночных перспективах Li-ion батарей.

Уже в декабре 2001 года на счета компании поступили первые $8 млн. Через четыре месяца после начала работы над проектом, в апреле 2002 года, в дело вошли лидеры рынка мобильной электроники Motorola и Qualcomm, увидевшие в новой технологии громадный потенциал. Барт Райли с улыбкой вспоминает, как на какой-то конференции Фулап подскочил к Полу Джекобсу, вице-президенту Qualcomm. В течение минуты, чуть ли не держа Джекобса за лацкан пиджака, Рик сумел доходчиво объяснить тому преимущества технологии A123 перед конкурентами, а еще через несколько секунд поставил вопрос ребром – инвестируйте сегодня, завтра будет поздно! И через пару дней Джекобс принял верное решение. Вскоре в числе инвесторов A123 оказались: знаменитая компания Sequoia Capital, на деньги которой в свое время были созданы Google и Yahoo, General Electric, Procter & Gamble и многие другие крупные компании.

Запасной парашют

К началу 2003 года работа зашла в тупик. Оказалось, что многообещающая технология работает только отчасти – процесс самоорганизации оказался неустойчивым. Возникли серьезные сложности с технологией получения однородных по размеру и свойствам частиц электродных наноматериалов. Как следствие, рабочие характеристики продукта «плавали» в диапазоне от выдающихся до никуда не годных. Срок службы полученных батарей значительно уступал имеющимся аналогам из-за слабости кристаллической решетки электродов. Она попросту разрушалась за несколько циклов разряда. Чанг понял, что до создания промышленной технологии идеальных аккумуляторов еще очень далеко. Проект затрещал по швам…

К тому времени работа над феррофосфатом лития дала неожиданные результаты. Поначалу электрические свойства фосфата железа выглядели весьма скромно. Преимуществами Li-Fe над LiCoO2 были его нетоксичность, дешевизна и меньшая чувствительность к нагреву. В остальном же феррофосфат значительно уступал кобальтату – на 20% по энергоемкости, на 30% по производительности и по количеству рабочих циклов. А значит, батарея с катодом из первичного Li-Fe не годилась для мобильной электроники, где емкость имеет первостепенное значение. Феррофосфат требовал глубокой модификации. Чанг начал экспериментировать с добавлением ниобия и других металлов в структуру электрода и уменьшением размеров отдельных частиц Li-Fe до ста нанометров. И материал буквально преобразился! Благодаря возросшей в тысячи раз площади активной поверхности и улучшению электропроводности за счет введенных золота и меди батареи с катодом из наноструктурированного Li-Fe превосходили обычные кобальтовые по токам разряда в десять раз. Кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивалась. Добавки металлов усиливали ее, как арматура усиливает бетон, поэтому количество рабочих циклов батареи возросло более чем в десять раз – до 7000! Фактически такая батарея способна пережить несколько поколений приборов, которые она питает. Кроме того, ничего нового в технологии производства создавать под Li-Fe не пришлось. Это означало, что продукт, который сделали Райли, Чанг и Фулап, готов к немедленному массовому производству.

«Если у вас небольшая компания и ограниченное финансирование, обычно вы фокусируетесь на чем-нибудь одном, – говорит Райли. – Но оказалось, что у нас в кармане целых две идеи! Инвесторы требовали продолжать работу над первоначальной темой проекта, а нанофосфат оставить до лучших времен. Но мы поступили по-своему. На новое направление мы бросили небольшую команду инженеров. Перед ними была поставлена конкретная цель – разработка технологии промышленного производства катодного наноматериала». Как оказалось впоследствии, это упрямое решение спасло весь проект от краха. После первых очевидных успехов по нанофосфату дальнейшие работы по самоорганизации были отложены в долгий ящик, но не забыты. Ведь история когда-нибудь может повториться с точностью до наоборот.

Индустриальный гигант

Буквально через месяц после этого A123 заключила судьбоносный контракт со знаменитой компанией Black & Decker. Оказалось, что Black & Decker уже несколько лет вела разработку нового поколения строительного электроинструмента – мобильных и мощных переносных устройств. Но внедрение новинки задерживалось из-за отсутствия подходящего источника тока. NiMH и NiCd батареи не подходили компании по весу, размеру и рабочим характеристикам. Обычные Li-ion аккумуляторы были достаточно емкими, но не обеспечивали высокий ток нагрузки и при быстром разряде так нагревались, что могли загореться. Кроме того, время, нужное для их заряда, было слишком велико, а переносной инструмент должен быть всегда наготове. Аккумуляторы А123 идеально подходили для этих целей. Они были очень компактны, мощны и абсолютно безопасны. Время заряда до 80% емкости составляло всего 12 минут, а при пиковых нагрузках Li-Fe батареи развивали мощность, превышающую мощность сетевых инструментов! Одним словом, Black & Decker нашел именно то, что искал.

К тому времени у А123 был только опытный образец батареи размером с десятицентовую монету, а Black & Decker нуждался в миллионах реальных аккумуляторов. Фулап и Райли провели гигантскую работу по созданию собственных производственных мощностей и уже через год после подписания контракта начали серийный выпуск товарной продукции в Китае. Энергия и напор Фулапа в сделке с Black & Decker позволили A123 в кратчайшие сроки войти в большую индустриальную обойму. За неполные шесть лет компания из Массачусетса выросла из чистой идеи до крупного научно-производственного комплекса с шестью заводами и штатом из 900 сотрудников. Сегодня A123 Systems является обладателем 120 патентов и патентных заявок в области электрохимии, а ее исследовательский центр по литий-ионным технологиям считается самым лучшим в Северной Америке.

Но компания не останавливается на достигнутом. За последние полтора года были радикально улучшены свойства исходного нанофосфата и разработаны новые виды электролитов. Созданы более совершенные и надежные электронные системы управления зарядом. Разработаны несколько видов дизайна пакетов батарей для применения в различных областях техники. Но главный шаг вперед – это, конечно же, разработка аккумулятора для будущего гибридного автомобиля Chevrolet Volt.

По материалам статьи Владимира Санникова

Share this post

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


*