Blog

10 основних відмінностей між свинцево-кислотними та літій-іонними акумуляторами

До винаходу літій-іонних акумуляторів у 1970-х роках у багатьох сферах використовували переважно свинцево-кислотні батареї. Літій-іонні акумулятори почали домінувати на ринку над свинцево-кислотними, оскільки вони ще довговічніші. Очікується, що ринок літій-іонних акумуляторів покаже 17.23% CAGR з 2022 по 2027 рік.

Як свинцево-кислотні, так і літій-іонні акумулятори перезаряджаються і можуть працювати довго. У цій статті ми порівняємо і зіставимо особливості свинцево-кислотних акумулятор проти літій-іонної батареї.

Свинцево-кислотні проти Літієві-Іонні акумулятори

І літій-іонні, і свинцево-кислотні акумулятори працюють за однаковим принципом. Основна відмінність полягає в матеріалі, що використовується як катод, анод та електроліт. У свинцево-кислотних батарея, свинцю в якості анода, а в якості катода – оксид свинцю. У оксид літію-іон акумулятор. в якості анода використовується вуглець, а літієві оксид літію використовується як катод. Свинцево-кислотні батареї використовують сірчану кислоту в якості електроліту, а літій-іонні батареї – сіль літію в якості електроліту. Під час розряджання іони рухаються від анода до катода через електроліт, а під час заряджання відбувається протилежна реакція.

Свинцево-кислотні батареї дешевші та простіші в установці порівняно з літій-іонними батареями. Ціна літій-іонного акумулятора акумулятора в два рази вище, ніж у свинцево-кислотного батареї з однаковою ємністю. Однак, якщо порівняти термін служби батарей, то літій-іонна батарея служить довше, ніж свинцево-кислотна. Отже, свинцево-кислотні батареї дешевші лише для короткочасного використання, ніж літій-іонні батареї.

Ємність акумулятора

Ємність акумулятора – це кількість енергії, що зберігається в акумуляторі в одиниці об’єму. Це прямий показник активної речовини, що зберігається всередині акумулятора. Літієві акумулятори мають більшу ємність порівняно зі свинцево-кислотними акумуляторами.

Щільність енергії є важливим фактором при визначенні типу акумулятора, необхідного для конкретного застосування. Це вказує на співвідношення між акумулятор ємність і вага акумулятора.

Щільність енергії = (Номінальна напруга акумулятора (В) x Номінальна ємність акумулятора (А-год)) ÷ Вага акумулятора.

Літієві батареї мають високу питому енергію в порівнянні зі свинцево-кислотними акумуляторами. Тому літій-іонні акумулятори використовуються в електромобілях.

Вага та розмір

Щільність енергії та значення ємності літієвих акумуляторів є високими у порівнянні зі свинцево-кислотними акумуляторами. Тому вага і розмір літієвих акумуляторів набагато менші в порівнянні з свинцевими порівняння порівняно зі свинцево-кислотними акумуляторами тієї ж ємності.

Глибина розряду вказує на максимальну енергію повністю зарядженого акумулятора, яку можна використовувати без підзарядки. Якщо глибина розряду акумулятора становить 50%, ви можете використовувати до 50% ємності акумулятора і підзарядити його. Якщо ви використовували його більше 50%, це вплине на життєвий цикл акумулятора. Глибина розряду становить 50% для свинцево-кислотних батарей, і 80% для літієвих батарей відповідно. Це означає, що ви можете використовувати літій-іонний акумулятор довше без підзарядки. Сучасні літій-іонні акумулятори, які виробляються сьогодні, ще більш ефективні, з показником DOD 100%.

Чим відрізняються хімічні властивості LiFePO4 та літій-іонних акумуляторів?

LiFePo4 та літій-іонні акумулятори – це акумуляторні батареї, які використовують іони літію для накопичення та вивільнення електричної енергії. Хоча вони багато в чому схожі, вони також мають деякі суттєві відмінності.

Акумулятори LiFePO4 (літій-залізо-фосфатні)

Акумулятори LiFePO4 – це підтип літій-іонних акумуляторів, в яких використовується унікальна хімія, що забезпечує переваги над суміжними літієвими технологіями. Вони стають все більш поширеними в автономних та резервних джерелах живлення, таких як комплекти живлення EcoFlow.

LFP отримали свою назву від хімічного складу катода, який складається з літій-залізо-фосфату (LiFePO4). Анодом, як правило, є вуглець, а електролітом – сіль літію в органічному розчиннику.

Хімічний склад LiFePO4 забезпечує підвищену безпеку порівняно з літій-іонними акумуляторами. Присутність атомів заліза, фосфору та кисню в катоді створює міцні ковалентні зв’язки. В результаті батарея є більш стабільною і менш схильною до теплового відводу та перегріву.

Важливо, що в батареях LiFePO4 не використовуються нікель або кобальт – два метали, запаси яких скорочуються і джерело яких часто є сумнівним.

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні акумулятори складаються з різних хімічних сполук, включаючи літій-залізо-фосфат (LiFePO4), літій-марганцевий оксид (LMO) та літій-кобальтовий оксид (LiCoO2).

Всі ці батареї мають три основні компоненти: катод, анод і електроліт. Електролітом для цих батарей є літієва сіль, а анодом – вуглець. Хімічний склад катода відрізняється – він складається з одного з оксидів металу літію, який і дав їм відповідні назви.

Процеси заряджання та розряджання однакові для всіх цих типів. Коли іони літію рухаються від катода до анода, електрони мігрують у зворотному напрямку. Цей рух створює електричний струм.

LiFePO4 vs. Літій-іонні акумулятори: Чим вони відрізняються?

Безпека

Акумулятори LiFePO4 безпечніші за літій-іонні завдяки міцним ковалентним зв’язкам між атомами заліза, фосфору та кисню в катоді. Зв’язки роблять їх більш стабільними і менш схильними до теплового витоку і перегріву, що призвело до того, що літій-іонні батареї мають репутацію акумуляторів з підвищеним ризиком пожеж.

Стабільність – ось чому LFP є стандартом для автономних та сонячних електростанцій. Коли батареї знаходяться в будинку, немає місця для помилок, пов’язаних з перегрівом та іншими проблемами. Домовласники можуть впевнено зберігати батарею LiFePO4 в будинку, не турбуючись про пожежну безпеку.

Щільність енергії

Літій-іонні батареї зазвичай мають вищу щільність енергії, ніж LFP. Щільність енергії акумулятора – це міра того, скільки енергії він може зберігати на одиницю об’єму або ваги. Літій-іонні батареї можуть зберігати більше енергії на одиницю об’єму або ваги, ніж LFP.

Наприклад, щільність енергії типового літій-іонного батареї становить близько 45-120 Вт-год на фунт (100-265 Вт-год на кг), тоді як щільність енергії батареї LiFePO4 становить близько 40-55 Вт-год на фунт (90-120 Вт-год на кг). Широкий діапазон щільності енергії літій-іонних акумуляторів пояснюється тим, що ця статистика охоплює всі типи акумуляторів типи літій-іонних акумуляторів, включаючи технології, придатні лише для електромобілів та інших застосувань.

Для автономних джерел живлення LiFePO4 залишається кращим, навіть якщо врахувати трохи меншу щільність енергії. Ця різниця стає незначною, коли ви переходите до більших стаціонарних рішень для живлення. Наприклад, комплекти живлення EcoFlow – це акумуляторні рішення, які можна встановити і забути про них. Ви не помітите незначної різниці в щільності енергії.

Вага

Вага акумуляторної батареї має певну кореляцію з щільністю енергії, як зазначено вище. Акумулятори LiFePO4 можуть важити трохи більше, ніж аналогічні літій-іонні акумулятори, в той час як деякі LFP можуть бути легшими, оскільки метали, що використовуються в їх конструкції, легші.

У будь-якому випадку, будь-яка незначна різниця у вазі блідне у світлі інших величезних переваг LFP.

Літій-іонні акумулятори з більшою щільністю енергії, такі як нікель-кобальт-алюміній (NCA) і нікель-кобальт-марганець (NCM), більше не вважаються ідеальними для автономних і сонячних систем. Натомість у домашніх системах живлення використовуються безпечніші та довговічніші технології, такі як LiFePO4. Безпечніша батарея важливіша за незначну різницю у вазі.

Акумулятори LFP залишаються неймовірно легкими, незважаючи на те, що вони мають велику потужність. Портативна електростанція EcoFlow DELTA 2 містить 1024 Вт-год ємності для зберігання енергії. Він важить лише 27 фунтів (12 кг) – досить легкий, щоб його можна було зручно переносити по дому або кинути на заднє сидіння автомобіля.

Температурний діапазон

Акумулятори LiFePO4 пропонують ширший діапазон робочих температур. Вони можуть добре функціонувати в діапазоні температур від.4°F (-20°C) до 140°F (60°C).

На відміну від них, літій-іонні акумулятори мають набагато менший температурний діапазон – від 32°F (0°C) до 113°F (45°C). Користувачам необхідно зберігати літій-іонні акумулятори в приміщеннях з регульованим кліматом як взимку, так і в літню спеку.

Акумулятори LiFePO4 безпечно зберігати в будинку, сараї, гаражі або іншому приміщенні без кондиціонера. Вони менш чутливі до перепадів температури, що дає вам більше можливостей для розміщення батареї без потенційного пошкодження або зниження ефективності.

Термін служби

Багато літій-іонних акумуляторів можуть пройти близько 500 циклів заряджання та розряджання, перш ніж їхня продуктивність погіршиться. Батареї LiFePO4 можуть пройти тисячі циклів, перш ніж їхня продуктивність почне падати.

Наприклад, портативна електростанція DELTA Pro має номінальну тривалість циклу заряду 6500 циклів, перш ніж вона досягне 50% ємності. Менші варіанти, як правило, мають менший термін служби, наприклад, портативна електростанція EcoFlow RIVER 2 Pro, яка після 3000 циклів має ресурс 80% ємності. Однак, це все ще надійний термін служби. Після закінчення цього часу батарея все ще буде функціонувати на рівні мінімум 80% від початкової ємності 768 Вт-год. Навіть після цього незначного зниження продуктивності, ви все ще можете отримати роки використання вашого LFP акумулятора!

Набагато довший термін служби означає, що LiFePO4 зменшить вплив на навколишнє середовище, спричинений електронними відходами. Відсутність нікелю та кобальту також робить їх більш екологічними.

Ви можете використовувати свій ЛФП батарея працюють у 5-6 разів довше, ніж літій-іонні моделі, і ви не витрачаєте гроші на заміну елементів живлення.

Вартість

Вартість ват-години LiFePO4 та літій-іонних акумуляторів може сильно відрізнятися залежно від виробника, ринкового попиту та ємності. У батареях LiFePO4 не використовуються нікель або кобальт – матеріали, пропозиція та ціна яких може різко коливатися.

LiFePO4 все ще є відносно новою хімічною речовиною для акумуляторів, що означає меншу кількість виробників і меншу пропозицію, що може зробити батареї LiFePO4 дещо дорожчими в перерахунку на Вт-год.

LiFePO4 vs. Літій-іонні акумулятори: Який з них підходить саме вам?

Якщо ви хочете інвестувати в акумуляторну батарею, яку можна регулярно використовувати в автономному режимі, LiFePO4 – правильний вибір. Додаткові функції безпеки вже самі по собі виправдовують інвестиції – вам не доведеться турбуватися про ризики відтоку тепла та перегріву, пов’язані з літій-іонними акумуляторами.

Більш тривалий термін служби також робить LFP акумулятори безперечним лідером. Завдяки більш ніж п’ятикратному збільшенню терміну служби ваші батареї LiFePO4 працюватимуть ще довго після того, як аналогічні літій-іонні акумулятори вичерпають свій ресурс. Ви заощадите гроші в довгостроковій перспективі і зведете до мінімуму електронні відходи акумуляторів.

Крім того, ви можете перетворити будь-яку портативну електростанцію LiFePO4 від EcoFlow на сонячний генератор, додавши одну або кілька сонячних панелей!

Поширені запитання

Ні, a літієвий-іонний (Li-ion) акумулятор відрізняється від літій-залізо-фосфатного (LiFePO4) акумулятора. Ці два типи акумуляторів мають деякі спільні риси, але відрізняються за характеристиками, терміном служби та хімічним складом. Акумулятори LiFePO4 відомі своїм довшим терміном служби, підвищеною термостійкістю та підвищеною безпекою. Акумулятори LiFePO4 також не використовують нікель або кобальт.

Здебільшого батареї LiFePO4 кращі за аналогічні літій-іонні акумулятори. Літій-залізо-фосфатні акумулятори менш схильні до горіння та теплового випромінювання, що робить їх безпечнішими для домашнього використання. Крім того, довший термін служби означає, що батареї LiFePO4 переживуть літій-іонні акумулятори в п’ять разів довше.

ПОСТІЙНА ПОДАЧА ЕНЕРГІЇ ЛІТІЙ ПРОТИ СВИНЦЕВО-КИСЛОТНИХ

Літій забезпечує однакову кількість енергії протягом усього циклу розряду, в той час як потужність SLA спочатку висока, але потім розсіюється. Перевага постійної потужності літій показано на графіку нижче, який показує залежність напруги від рівня заряду.

Літієва батарея, як показано помаранчевим кольором, має постійну напругу під час розряджання протягом усього часу розряджання. Потужність є функцією напруги, помноженої на струм. Потреба в струмі буде постійною, а отже, потужність, що постачається, потужність, помножена на струм, буде постійною. Отже, давайте розглянемо це на реальному прикладі.

Ви коли-небудь вмикали ліхтарик і помічали, що він світить тьмяніше, ніж коли ви вмикали його востаннє? Це тому, що батарея всередині ліхтарика вмирає, але ще не повністю мертва. Він віддає трохи енергії, але недостатньо, щоб повністю освітити лампочку.

Якби це була літієва батарея, лампочка світила б так само яскраво від початку і до кінця свого життя. Замість того, щоб згасати, лампочка просто не увімкнеться взагалі, якщо батарея розрядиться.

ЧАС ЗАРЯДЖАННЯ ЛІТІЄВИХ ТА SLA АКУМУЛЯТОРІВ

Зарядка акумуляторів SLA, як відомо, повільна. У більшості циклічних застосунків потрібно мати додаткові батареї SLA, щоб можна було користуватися програмою, поки інша батарея заряджається. У режимі очікування акумулятор SLA повинен бути на плаваючому заряді.

Літієві батареї заряджаються в чотири рази швидше, ніж SLA. Швидше заряджання означає, що акумулятор працює довше, а отже, потребує меншої кількості акумуляторів. Вони також швидко відновлюються після аварійних ситуацій (наприклад, в режимі резервного копіювання або очікування). Як бонус, немає необхідності тримати літій на плаваючому заряді для зберігання. Для отримання додаткової інформації про те, як заряджати літієву батарею, будь ласка, перегляньте нашу статтю Літій Посібник із заряджання.

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА ПРОДУКТИВНІСТЬ БАТАРЕЇ

Продуктивність літію набагато вища, ніж у свинцю, в умовах високих температур. Фактично, літій при 55°C все ще має вдвічі більший термін служби, ніж SLA при кімнатній температурі. Літій перевершує свинець за більшості умов, але особливо ефективний при підвищених температурах.

Тверді електроліти (твердотільні)

Рідкі електроліти, що використовуються в більшості LIB, обмежують типи електродів, які можна використовувати, і форму елемента акумулятора; крім того, вони часто легкозаймисті, що становить загрозу безпеці. Зараз ведуться дослідження твердих електролітів, які забезпечують набагато вищу щільність енергії і не можуть загорятися.

Багато дослідників очікують, що твердотільні батареї стануть початком нового витка інновацій. RMI пише: “Кілька твердотільних компаній націлені на 2024-2025 роки для створення перших комерційних ліній електромобілів, але демонстрації, швидше за все, відбудуться до цього часу”.” Компанії з літій-металевими, твердотільними батареями – в тому числі Solid Power і QuantumScape – отримали величезні інвестиції від автовиробників і інвесторів, таких як Білл Гейтс.

Тим не менш, незважаючи на весь галас, існує значна частка скептицизму щодо твердотільних батарей. Після багатьох років великих обіцянок, компанія Fisker, що виробляє електромобілі, на початку цього року повністю відмовилася від твердотільних батарей. “Це така технологія, де, коли ви відчуваєте, що ви вже на 90 відсотках, ви вже майже там, – сказав засновник компанії Хенрік Фіскер в інтерв’ю виданню Verge, – поки не зрозумієте, що останні 10 відсотків набагато складніше, ніж перші 90″.”

” Вартість і безпека сучасних літій-іонних технологій покращуються настільки швидко, що технологія, яка з’явиться через 10 років, за оцінкою [Fisker], просто не варта того, щоб нею займатися”, – говорить Робертс. ” Зрештою, щільність енергії просто не критична для багатьох застосувань.”

Шик з Clean Energy Ventures прямолінійний: “Жодна з твердотільних літієвих батарей не знаходиться на шляху до того, щоб зробити щось, що когось хвилює.”

” “Хоча існують технічні причини, чому ця технологія здається святим Граалем акумуляторів, – пише Sila Nanotechnologies, – реальність така, що навіть якщо технологія спрацює (а це велике “якщо” після 40 років розробки), вона навряд чи знайде більше, ніж нішеві можливості на ринку”.” (Читайте Джейсона Дейна про поточний ринок твердотільних акумуляторів.)

Назвемо це важливе “Можливо.

Літій оксид титану (LTO)

Акумулятори LTO мають нанокристали літій-титанату, які покривають анод, що збільшує площу поверхні і дозволяє вивільняти набагато більше електронів набагато швидше, ніж у випадку з графітом. Як наслідок, вони мають неймовірно високу щільність потужності (можуть швидко віддавати енергію) і можуть заряджатися швидше, ніж будь-які інші LIB. Вони також мають тривалий термін служби і високу ефективність підзарядки.

Вони мають нижчу напругу, ніж звичайні LIB, а отже, нижчу щільність енергії, але завдяки цьому вони також надзвичайно безпечні в експлуатації.

” “Експлуатаційні характеристики вражають, – каже Робертс з Simpliphi, – але вони просто шалено дорогі.”

Наразі LTO використовуються в деяких електромобілях та менших пристроях, таких як електровелосипеди. Якщо вони знизяться в ціні, то зможуть знайти інші ніші, де важлива щільність потужності, наприклад, в промисловому обладнанні.

Літій-повітря (Li-air)

На межі досліджень знаходиться Li-air, де в якості анода використовується металевий літій, в якості електроліту – різноманітні матеріали (саме тут дослідження найбільш інтенсивні), а в якості катода – повітря. Так, повітря. Літій обмінюється електронами та іонами з повітрям через електроліт. Божевільний.

Оскільки він скидає всю вагу катода – повітря досить легке – Li-повітря має неймовірно високу питому енергію (енергію на одиницю ваги), теоретично таку ж високу, як питома енергія бензину. На практиці була продемонстрована лише частина цього потенціалу, але навіть ця частка приблизно в п’ять разів перевищує питому енергію звичайних ЛІБ.

Перш ніж літій-повітря стане практичним, потрібно буде вдосконалити електроліти, тривалість циклу і масштабованість, але з точки зору “темних конячок” 2030 року, це один з тих, на кого варто звернути увагу.

Отже, це огляд хімічних речовин на основі літієвих акумуляторів, які борються за позицію на ринку, що перевищує трильйон доларів.

У своєму наступному дописі я розгляну кілька не-літій-на основі хімії, які сподіваються захопити деякі з цих ніш – цинк, рідкий метал і рідкий метал, о Боже!.

Ця стаття була спочатку опублікована на Вольтах.

Девід Робертс – головний редактор Canary Media. Він пише про чисту енергетику та політику у своєму інформаційному бюлетені Volts.