Ячейки LiFePO₄: что это и почему у них 3,2 В

Ячейка LiFePO₄ (литий-железо-фосфатная, LFP; в разговоре - «лифер» или «банка») - это один элемент на 3,2 В, из которого собирают батареи на 12, 24 и 48 В. По паспортам EVE такие ячейки выдерживают 4000–8000 циклов и устойчивы к перегреву, но они тяжелее никелевых и не любят заряд на морозе. Ниже - откуда берутся эти свойства и что они значат для вашей сборки.

Что такое ячейка

Ячейка - минимальная законченная единица литиевой батареи: два электрода, сепаратор между ними и электролит в герметичном корпусе. Сама по себе ячейка - не батарея: чтобы получить 12, 24 или 48 В, ячейки соединяют последовательно, добавляют систему управления батареей (BMS), стяжку, шины и корпус. Мы поставляем именно ячейки - комплектующие для сборки.

Почему «железо-фосфат»

Название химии - по материалу положительного электрода (катода): литий-железо-фосфат, формула LiFePO₄, коротко LFP. Отрицательный электрод - графит. При заряде ионы лития выходят из кристаллической решётки катода и встраиваются в графит, при разряде идут обратно.

Решётка фосфата железа очень прочная: кислород в ней связан фосфатной группой и при перегреве почти не выделяется. Отсюда главное свойство LFP - устойчивость к тепловому разгону. Отсюда же и ограничение: плотность энергии у LFP ниже, чем у ячеек на никелевых катодах.

Почему у LiFePO₄ 3,2 В, а заряжают до 3,65 В

Напряжение ячейки определяется разностью потенциалов электродов. У пары «литий-железо-фосфат - графит» большую часть разряда напряжение держится около 3,2–3,3 В, поэтому номинальным принято 3,2 В. У некоторых моделей EVE в паспорте указано 3,22 В - это уточнённое значение для конкретной конструкции.

Точные пределы заряда и разряда для каждой модели - в её паспорте; общий порядок цифр для всех ячеек LFP один.

Плоская «полка» напряжения удобна для потребителя: батарея отдаёт почти неизменное напряжение до самого конца разряда. Но она же усложняет оценку остатка заряда по напряжению - поэтому в батареях LFP уровень заряда считают по току (кулонометрически), а не по вольтметру.

Плюсы LiFePO₄: ресурс, безопасность, удобное напряжение

• Ресурс. У ячеек EVE для накопителей - MB31, LF280K-V3 - по паспорту 8000 циклов, у тяговых моделей - 4000. Что стоит за этими цифрами - в статье «Ресурс ячеек».
• Безопасность. Катод не выделяет кислород при перегреве, тепловой разгон идёт мягче, чем у никелевых химий.
• Без кобальта и никеля. В катоде нет этих дорогих металлов - а значит, нет и зависимости от них.
• Удобное напряжение. Четыре ячейки дают 12,8 В - почти точная замена свинцовой батарее на 12 В; шестнадцать - 51,2 В для систем на 48 В.

Минусы LiFePO₄: масса, мороз, оценка заряда

• Масса и объём. Удельная энергия ячеек LFP EVE - около 165–196 Вт·ч/кг по паспортам; у NCM (никель-кобальт-марганец) - до 263 Вт·ч/кг.
• Заряд на морозе. Ячейки LFP для накопителей по паспорту обычно заряжают от 0 °C, тяговые модели EVE - от −10 °C, а серию A, например A41-V3, - от −20 °C. Режимы для минусовых температур уточняйте по паспорту модели; как хранить ячейки на холоде - в статье о хранении.
• Оценка заряда. Остаток заряда трудно оценить по напряжению: кривая почти плоская. Нужна система управления батареей (BMS), которая считает заряд по току.

Как отличить ячейку от готовой батареи

На рынке под словом «лифер» продают и ячейки на 3,2 В, и готовые батареи на 12–48 В в корпусе. Простой признак: напряжение 3,2 В - это ячейка, 12,8 / 25,6 / 51,2 В - собранная батарея. Если вы собираете батарею сами, вам нужны именно ячейки.

Собираете батарею сами - начните с призматических ячеек LiFePO₄ в каталоге или пришлите задачу: подберём модель и пришлём цену и сроки.