Как температура окружающей среды влияет на выбор литиевого аккумулятора

Грамотный выбор химического состава литиевого аккумулятора помогает получить желаемую производительность и избежать теплового разгона. Рассмотрим два варианта: литий-железо-фосфат (LFP) и литий-никель-марганец-кобальт-оксид (NMC). Обе химические технологии используют литий-ионный обмен, однако отличаются по эксплуатационным характеристикам.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Как защищают литий-ионные аккумуляторы от короткого замыкания

Сравнение LFP и NMC

Химический состав NMC отличается более высокой удельной и объемной плотностью энергии (до 250 Вт·ч/кг, 556 Вт·ч /л), чем конкурирующий состав LFP (до 160 Вт·ч/кг, 350 Вт·ч /л). Стоимость ватт-часа у NMC ниже, чем у LFP.

Долговечность литий-ионных аккумуляторов зависит от трех факторов:

количества пройденных циклов «заряд-разряд»;
интенсивности эксплуатации;
средней температуры элементов во время разрядки, зарядки, хранения.

LiFePO4 аккумулятор при высокой и низкой температуре

Согласно отраслевым нормам, эффективность аккумуляторной батареи определяется путем сравнения фактической емкости с первоначальной (номинальной) емкостью. Литий-железо-фосфатный аккумулятор способен прослужить 3000-7000 циклов или до 8 лет, что в 2-3 раза дольше, чем NMC. В конце срока службы фактическая емкость составит 80% от первоначальной.

Главный фактор, влияющий на срок службы – средняя температура аккумуляторных элементов. Лишь затем следует глубина разряда. Активный материал катода LFP аккумуляторов не разлагается до температур 250–270°С, что говорит о прекрасной термической, химической стабильности. Поэтому литий-железо-фосфатные батареи широко используются в промышленном оборудовании, складской технике, где безопасность на первом месте.

Аккумуляторы NMC могут перейти в состояние теплового разгона после достижения 170°С. При этом выброс тепловой энергии будет выше. Таким образом, они уступают по безопасности LFP.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Какие преимущества дают литий-ионные батареи электропогрузчикам в 2023 году

Разрядка, тепловыделение

У аккумуляторных элементов LFP низкое внутреннее сопротивление, они способны разряжаться с высокой скоростью без сильного тепловыделения. Внутреннее сопротивление элементов NMC примерно в 10 раз выше, при разряде с высокой скоростью они выделяют больше тепла. Например, 48-вольтная аккумуляторная батарея NMC емкостью 50 А·ч может отдать 50-100 А, а аналогичная по параметрам батарея LFP – около 500-1000 А. Если нужна высокая токоотдача, то придется параллельно подключать несколько аккумуляторных батарей NMC, в то время как одна батарея LFP способна обеспечить нужную силу тока.

Если пространство для размещения аккумуляторной батареи ограничено, то NMC лучше подходит для приложений, требующих меньшей силы тока при более долгой разрядке (например, 50 А в течение часа), а LFP – большей силы тока при более быстрой разрядке (например, 300 А в течение 10 минут). Это важно учитывать, если техника подвергается значительным нагрузкам или при выборе аккумуляторов для источников бесперебойного питания.

Рабочие температуры

Температура окружающей среды – третий по важности фактор, влияющий на долговечность литий-ионных батарей. Безопасным рабочим температурным диапазоном для LFP считается от -30°С до +60°С, а для NMC – от -30°С до +55°С. Однако для продления срока службы для обоих типов аккумуляторов лучше не выходить за пределы диапазона от 10°С до 30°С.

Стоит помнить, что разряд высоким током приводит к внутреннему нагреву аккумуляторных элементов. Из-за более высокого сопротивления NMC-элементов, они выделяют больше тепла при разряде по сравнению с LFP-элементами. Это значит, что в жарком климате им может понадобиться активное охлаждение.

Польза активных систем охлаждения

В аккумуляторных батареях с пассивным охлаждением во время разряда центральные элементы нагреваются быстрее, чем внешние, что приводит к образованию горячей точки и ограничению доступного тока разряда.

Активная система терморегуляции с вентиляторами или турбинами усложняет конструкцию литий-ионной-батареи, однако дает важные преимущества:

Поддерживает оптимальный температурный режим литиевых аккумуляторов.
Защищает от преждевременного старения элементы в центральной части аккумуляторной батареи, поскольку они нагреваются сильнее остальных.
Предотвращает образование конденсата из-за колебания температур.
Позволяет поддерживать более высокие токи заряда и разряда, чем при пассивном охлаждении.

Система активного охлаждения Li-ion батареи электромобиля

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Почему литий-ионные аккумуляторы дорогие в производстве

Итоги

При работе в условиях экстремальных температур литий-ионные аккумуляторы стареют быстрее. Дольше всего они служат при температурах от 10°С до 30°С. Химический состав LFP отличается более широким диапазоном рабочих температур, чем NMC. Для продления срока службы элементов в литий-ионной батарее рекомендуется использовать систему активного охлаждения.

Больше статей, обзоров и рекомендаций на нашем Дзен-канале! Переходите и присоединяйтесь к сообществу профессионалов

Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции Forklift.Blog. Использование материалов сайта без разрешения его владельца является нарушением авторских прав и преследуется по закону.

Темы этой статьи:

Тяговые АКБ

Литий-ионные АКБ

Автор статьи: Энергинский К.А.
Специалист по аккумуляторной технологии
Автор-эксперт в области литий-ионных аккумуляторов

Опубликовано: 06 апреля 2023