Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe i litowo-jonowe w systemach wbudowanych

Dwa najbardziej popularne rodzaje akumulatorów w systemach wbudowanych to akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) i litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4). Te dwa typy akumulatorów mają zupełnie różne charakterystyki ładowania i rozładowania, mimo iż mają podobny skład chemiczny i wykorzystują częściowo te same materiały. W niektórych systemach można stosować obydwa typy akumulatorów, choć każdy z nich ma swoje zalety w różnych zastosowaniach, które zależą od tempa rozładowania, wymaganej prędkości ładowania, wymaganej pojemności oraz liczby cykli ładowania.

Chcąc wybrać odpowiednią baterię do swojego następnego systemu wbudowanego, należy wziąć pod uwagę powyższe charakterystyki elektryczne, jak również koszt i fizyczne wymiary różnych rodzajów akumulatorów dostępnych w sprzedaży. Oto, co należy wiedzieć, porównując akumulatory litowo-jonowe z akumulatorami litowo-żelazowo-fosforanowymi.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe i litowo-jonowe

Materiały stosowane w akumulatorach litowych mają zbliżone charakterystyki. Związki chemiczne wykorzystywane w akumulatorach litowo-żelazowo-fosforanowych i akumulatorach litowo-jonowych są podobne, podobnie jak i materiały, z których są wykonane. Obydwa rodzaje akumulatorów działają na zasadzie odwracalnych reakcji elektrochemicznych wykorzystujących jony litu, dlatego należałoby obydwa te rodzaje nazywać akumulatorami litowo-jonowymi (poznane przeze mnie osoby z branży materiałów do akumulatorów nie rozróżniają nawet tych dwóch typów). Mają one jednak istotne różnice, z powodu których zostały umieszczone w osobnych kategoriach, mimo iż zostały wykonane z podobnych materiałów litowo-jonowych.

Zarówno akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe, jak i akumulatory litowo-jonowe wykorzystują anodę grafitową, która może przechowywać dość duże ilości jonów litu podczas ładowania. Różnica nie polega na zastosowanej anodzie, tylko na interakcji z jonami litu w katodzie. Szybkość reakcji chemicznej w akumulatorach litowo-żelazowo-fosforanowych i akumulatorach litowo-jonowych jest ograniczona przez desorpcję, a następnie redukcję na katodzie, co decyduje o różnicy w ich pojemności, tempie rozładowania i napięciu wyjściowym. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są nowszymi akumulatorami, które zyskały uznanie w produkcji z powodu mniej toksycznych i tańszych materiałów, jak również ze względu na ich stabilność przy większych temperaturach.

_{Zobaczmy, czy wybierzesz akumulatory litowo-jonowe czy akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe.}

Jeśli czytasz ten artykuł na nowym smartfonie lub laptopie, to prawdopodobnie zawdzięczasz to akumulatorowi litowo-polimerowemu lub litowo-jonowemu, w zależności od urządzenia. Poniżej opisano najważniejsze różnice między akumulatorami litowo-żelazowo-fosforanowymi i akumulatorami litowo-jonowymi.

Akumulator litowo-jonowy

Mówiąc o akumulatorach litowo-jonowych, większość osób ma na myśli dowolny rodzaj akumulatora litowo-jonowego. Najbardziej popularny w zastosowaniach konsumenckich  jest akumulator litowo-kobaltowo-tlenkowy (LiCoO2). Jest to materiał katody stosowany w popularnych rodzajach akumulatorów litowych. Poniżej wymieniono kilka typowych specyfikacji akumulatorów litowo-jonowych.

• Napięcie: 3,6 V nominalne, od 3,0 V do 4,2 V.
• Energia specyficzna: 150-200 Wh/kg
• Tempo ładowania: 0,7 C - 1 C. Ładowanie powyżej 1 C sprawi, że powłoka interfazy stałego elektrolitu (SEI) na anodzie zwiększy się podczas ładowania, łapiąc w pułapkę lit i w miarę upływu czasu obniżając pojemność akumulatora. Jest to główne źródło zanikania pojemności akumulatorów litowo-kobaltowo-tlenkowych.
• Tempo rozładowania: 1 C. Nie rozumiesz terminu tempo “C”. Oznacza on, że jeśli akumulator ma pojemność 2400 mAh, to może się on rozładować bez uszczerbku przy maksymalnym natężeniu 2,4 A.
• Liczba cykli ładowań: 500-1000 cykli Liczba cykli ładowań zależy w dużej mierze od temperatury pracy akumulatora, głębokości rozładowania (DoD) oraz tempa ładowania (patrz powyżej).
• Maksymalna temperatura pracy: 150°C. Powyższa temperatura sprawia, że akumulatory litowo-jonowe ulegają zapaleniu lub eksplodują.
• Zasięg temperatury dla maksymalnego tempa ładowania: 0-40°C
• Zasięg temperatury rozładowania: -25-60°C. Akumulatory litowo-kobaltowo-tlenkowe ładują się i rozładowują ekstremalnie wolno przy niskich temperaturach.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mają katodę żelazowo-fosforanową. Akumulatory te mają z reguły niższe napięcie wyjściowe i niższą energię specyficzną niż akumulatory litowo-kobaltowe. Akumulatory te mają jednak dużo wyższe tempo rozładowania i większą liczbę cykli ładowan:

• Napięcie: 3,2 lub 3,3 V nominalne, od 2,5 do 3,65 V.
• Energia specyficzna: 90-120 Wh/kg
• Tempo ładowania: 1 C
• Tempo rozładowania: 1-25 C, prawdopodobnie z pulsami 40 A.
• Liczba cykli ładowań: 1000-10000 cykli, liczba ta jest w dużej mierze zależna od temperatury.
• Maksymalna temperatura pracy: 270°C
• Zasięg temperatury dla maksymalnego tempa ładowania: 0-45°C
• Zasięg temperatury rozładowania: -20-60°C.

Porównanie

Porównując akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe i akumulatory litowo-jonowe, natychmiast widzimy, że akumulatory litowo-jonowe mają wyższą energię specyficzną, ale niższe tempo rozładowania. Oznacza to, że akumulatory litowo-jonowe stanowią dobry wybór dla energochłonnych urządzeń przenośnych, które potrzebują stałego źródła zasilania o stosunkowo niskim napięciu. Wyższe tempo rozładowania z akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych oznacza, że mogą one w razie potrzeby dostarczać duże ilości napięcia, a następnie zostać szybko rozładowane. Prąd rozładowania ma znaczenie w takich zastosowaniach jak silniki elektryczne. Niskie tempo rozładowania akumulatorów litowo-jonowych na poziomie 1 C wypada słabo w porównaniu z akumulatorami litowo-żelazowo-fosforanowymi, w przypadku których wartość ta wynosi do 25 C.

Oprócz dłuższego z reguły cyklu życia akumulatora kolejna ważna różnica między tymi dwoma typami akumulatorów jest widoczna w specyfikacji dotyczącej maksymalnej temperatury pracy akumulatora. Jednym z trybów awaryjnych w każdym akumulatorze podczas szybkiego rozładowania i ładowania jest maksymalna temperatura pracy akumulatora. Po jej przekroczeniu tempo generowania ciepła spowodowanego rezystancją termiczną w elektrodach przekracza tempo, w jakim jest ono oddawane do otoczenia. Kiedy temperatura wewnętrzna akumulatora przekroczy maksymalną temperaturę pracy akumulatora, akumulator zaczyna zbyt szybko generować ciepło.

_{Katastrofalna w skutkach awaria akumulatora litowo-jonowego.}

Ponieważ akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mają wyższą maksymalną temperaturę pracy, można ich używać przy wyższej temperaturze otoczenia przy niższym ryzyku uszkodzenia. Kolejną jego zaletą są użyte w katodzie materiały. Jak zapewne zauważyliście, akumulatory litowo-kobaltowo-tlenkowe zawierają kobalt, który jest bardzo toksyczny i budzi wątpliwości etyczne dotyczące jego sourcingu.

Wysoka energia akumulatorów litowo-jonowych sprawia, że są one podatne na eksplozje. Liczne tryby awaryjne utrudniają przewidzenie wszystkich zagrożeń w akumulatorach litowo-jonowych. W przypadku ręcznych urządzeń elektronicznych liczba cykli zależy od tego, jak często użytkownik całkowicie rozładowuje i ładuje swoje urządzenie. Dlatego los akumulatora leży w rękach użytkownika końcowego, który nie posiada wiedzy na temat jego trybów awaryjnych. Oczywiście prawdopodobieństwo wystąpienia tego typu awarii jest raczej niskie, ale lepiej być przezornym. Posiada on niższą gęstość energii i bardziej stabilny skład chemiczny. Dzięki tym charakterystykom nie zapali się, nawet w przypadku awarii. Podsumowując, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są dużo bezpieczniejsze od akumulatorów litowo-jonowych.

Pomimo dużego bezpieczeństwa i wysokiego tempa rozładowania akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych w porównaniu z litowo-jonowymi, ten drugi typ akumulatora jest w stanie przechowywać większą moc na kilogram masy akumulatora, choć wcale nie dlatego, że anoda przechowuje więcej litu. Projektując przenośne urządzenia elektroniczne, liczy się ich rozmiar. Akumulatory litowo-jonowe mogą przechowywać do dwóch razy więcej energii na kilogram masy akumulatora w porównaniu z akumulatorami litowo-żelazowo-fosforanowymi. To duża różnica, zwłaszcza gdy próbujemy spełnić surowe wymogi dotyczące miejsca i pojemności akumulatora.

Zastosowania

Jeśli jesteś osobą, która szuka bezpieczeństwa i niezawodności, albo działa w branży, w której bezpieczeństwo i niezawodność stanowią główną obawę, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe stanowią właściwy wybór. Najlepiej sprawdzają się w takich zastosowaniach jak pojazdy elektryczne (EV) lub przyrządy medyczne, gdzie nie możemy dopuścić do katastrofalnej w skutkach awarii. Silniki EV korzystają także na wysokim tempie rozładowania akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych.

A może żyjesz na krawędzi i lubisz żyć jak najbardziej intensywnie. Jeśli Twoje urządzenia są do Ciebie podobne, to będą potrzebować akumulatora litowo-jonowego. Urządzenia takie jak telefony komórkowe, komputery i aparaty fotograficzne potrzebują jak najwięcej energii. Poza tym zwykle ich okres trwałości wynosi około 2 lat, a akumulatory litowo-jonowe mogą wytrzymać nawet dłużej.

Bez względu na to, czy projektujesz strategię wykorzystania mocy dla nowego systemu przemysłowego o dużej mocy  czy też małe urządzenie mobilne, Altium Designer^® posiada narzędzia do projektowania PCB, które zagwarantują Ci sukces. Altium Designer posiada całą gamę zaawansowanych narzędzi, które pomogą Ci zaprojektować idealną płytkę PCB. 

Altium Designer wnosi do branży elektronicznej bezprecedensowy poziom integracji, która dotychczas pozostawała domeną świata programowania, dając projektantom możliwość pracowania z domu i osiągania niespotykanych dotąd wyżyn wydajności.

W tym artykule poczuliśmy zaledwie przedsmak możliwości, jakie daje Altium Designer. Aby uzyskać bardziej dogłębny opis funkcji, zajrzyj na stronę produktu lub zapoznaj się z jednym z seminariów internetowych na żądanie. Masz więcej pytań na temat akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych i litowo-jonowych? Porozmawiaj z ekspertem z Altium Designer. 

Sprawdź Altium Designer^® w akcji...

Skuteczne projektowanie PC