[Kompletny przewodnik] Porównanie różnic między akumulatorami LiFePO4 i akumulatorami litowo-jonowymi

[Vollständiger Leitfaden] Vergleich der Unterschiede zwischen LiFePO4 Akkus und Li-Ionen Batterien

Jeśli chcesz zasilać urządzenia elektroniczne, samochody elektryczne, rozwiązania zasilania poza siecią lub urządzenia medyczne, wybór odpowiedniego akumulatora jest kluczowy. Dwa najpopularniejsze typy akumulatorów dostępne obecnie na rynku to akumulatory LiFePO4 i akumulatory litowo-jonowe. W tym artykule omówimy różnice i zalety tych dwóch typów baterii i pomożemy Ci wybrać, który z nich najlepiej odpowiada Twoim potrzebom.

Część 1. Baterie LiFePO4

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (baterie LiFePO4) to akumulatory litowo-jonowe, w których jako materiał katody wykorzystuje się fosforan żelaza zamiast kobaltu, niklu lub manganu. Jest znany ze swojego wysokiego bezpieczeństwa, długiej żywotności i stabilnej wydajności.

W porównaniu do innych akumulatorów litowo-jonowych, LiFePO4 ma niższą gęstość energii, ale jest mniej podatny na niestabilność termiczną, niebezpieczny stan, w którym akumulator przegrzewa się i zapala. To sprawia, że ​​akumulatory LiFePO4 idealnie nadają się do zastosowań, w których bezpieczeństwo jest priorytetem, takich jak: B. w pojazdach elektrycznych, instalacjach fotowoltaicznych i przenośnych urządzeniach elektronicznych.

Akumulatory LiFePO4 mają napięcie nominalne 3,2 V na ogniwo i można je łączyć szeregowo lub równolegle w celu uzyskania wyższych napięć lub pojemności. Można je również ładować i rozładowywać wysokim prądem bez znaczącej utraty pojemności i wydajności.

Część 2. Baterie litowo-jonowe

Baterie litowo-jonowe to akumulatory, w których głównym składnikiem elektrolitu są jony litu. Są szeroko stosowane w przenośnych urządzeniach elektronicznych, pojazdach elektrycznych i innych zastosowaniach wymagających dużej gęstości energii, niskiego samorozładowania i długiej żywotności.

Baterie litowo-jonowe składają się z jednego lub większej liczby ogniw, z których każde zawiera elektrodę dodatnią (katodę), elektrodę ujemną (anodę) i elektrolit, który umożliwia ruch jonów litu pomiędzy elektrodami podczas ładowania i rozładowywania.

Jedną z kluczowych cech akumulatorów litowo-jonowych jest ich duża gęstość energii, co oznacza, że ​​mogą przechowywać dużo energii w małej objętości. Dzięki temu idealnie nadają się do urządzeń przenośnych i pojazdów elektrycznych, w których przestrzeń jest ograniczona. Mają także stosunkowo niski współczynnik samorozładowania w porównaniu do innych akumulatorów, co oznacza, że ​​mogą utrzymywać ładunek przez dłuższy czas bez znaczącej utraty pojemności.

Baterie litowo-jonowe mają jednak również pewne wady. Są wrażliwe na wysokie temperatury i przeładowanie, co może spowodować ich szybką degradację, a nawet zapalenie. Mają również ograniczoną żywotność, ponieważ liczba cykli ładowania i rozładowania różni się w zależności od takich czynników, jak temperatura, głębokość rozładowania i napięcie ładowania.

Część 3 . Pełne porównanie akumulatorów LiFePO4 i Li-Ion

W tej części przeprowadzimy kompleksowe porównanie akumulatorów LiFePO4 i Li-ion i przeanalizujemy ich różnice pod względem takich aspektów, jak DOD, napięcie, stopień samorozładowania i inne.

Głębokość rozładowania (DOD)

Jeśli chodzi o głębokość rozładowania (DOD), akumulatory LiFePO4 zwykle działają lepiej niż akumulatory litowo-jonowe. Akumulatory LiFePO4 można rozładować do 100% bez negatywnego wpływu na ich żywotność. Z drugiej strony, rozładowanie akumulatora litowo-jonowego poniżej zalecanego DOD może spowodować trwałe uszkodzenie akumulatora lub nawet uczynić go niezdatnym do użytku.

Ogólnie zalecany DOD dla akumulatora litowo-jonowego wynosi około 80%, podczas gdy zalecany DOD dla LiFePO4 wynosi zwykle około 100%. Oznacza to, że akumulatory LiFePO4 mogą zapewnić więcej użytecznej energii niż akumulatory litowo-jonowe, ponieważ można je całkowicie rozładować bez uszkodzenia akumulatora. Dodatkowo oznacza to, że z akumulatora LiFePO4 uzyskasz więcej energii niż z akumulatora litowo-jonowego o tej samej pojemności.

Warto jednak zauważyć, że akumulator litowo-jonowy może nadal zapewniać wysoki poziom wydajności przy niższym DOD w porównaniu z akumulatorem LiFePO4. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę specyficzne potrzeby aplikacji i odpowiednio wybrać akumulator, ponieważ zarówno akumulatory LiFePO4, jak i akumulatory litowo-jonowe mają swoje unikalne cechy i zalety.

Napięcie

Akumulatory Li-ion i LiFePO4 różnią się napięciem znamionowym. Akumulatory litowo-jonowe mają zazwyczaj wyższy zakres napięcia znamionowego wynoszący 3,6–3,7 V na ogniwo, podczas gdy akumulatory LiFePO4 mają napięcie znamionowe około 3,2 V na ogniwo, co wymaga większej liczby ogniw do osiągnięcia tego samego napięcia wyjściowego.

Na przykład standardowy akumulator litowo-jonowy 12 V wymaga tylko 3 lub 4 ogniw połączonych szeregowo, podczas gdy akumulator LiFePO4 12 V wymaga 4 lub 5 ogniw, aby osiągnąć ten sam poziom napięcia. Chociaż LiFePO4 może skutkować nieco większymi i cięższymi akumulatorami, oferuje kilka zalet, takich jak większe bezpieczeństwo, dłuższa żywotność i szerszy zakres temperatur pracy.

Należy zauważyć, że chociaż akumulatory LiFePO4 mają niższe napięcie znamionowe niż akumulatory litowo-jonowe, mogą zapewnić wyższy prąd rozładowania bez znaczącego spadku napięcia. Dzięki niższej rezystancji wewnętrznej akumulatory LiFePO4 mogą dostarczać wysoką moc wyjściową przy minimalnych stratach energii.

Stopień samorozładowania

Współczynnik samorozładowania to szybkość, z jaką akumulator traci ładunek w miarę upływu czasu, nawet jeśli nie jest używany. Jest to naturalny proces, który zachodzi we wszystkich typach akumulatorów i na który mogą mieć wpływ różne czynniki, takie jak temperatura, wiek akumulatora i warunki przechowywania. Akumulator o wyższym współczynniku samorozładowania szybciej traci ładunek i ma krótszą żywotność niż akumulator o niższym współczynniku samorozładowania.

Jeśli chodzi o stopień samorozładowania, akumulatory LiFePO4 mają znacznie niższy współczynnik w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych.

Akumulatory litowo-jonowe tracą średnio około 5-10% ładunku miesięcznie, podczas gdy akumulatory LiFePO4 tracą tylko około 2-3% miesięcznie.

Oznacza to, że akumulatory litowo-jonowe mogą stracić do 60% ładunku w ciągu roku przechowywania, podczas gdy akumulatory LiFePO4 stracą w tym samym okresie tylko około 20-30%. To sprawia, że ​​akumulatory LiFePO4 są znacznie bardziej odpowiednie do zastosowań, w których wymagane jest długoterminowe przechowywanie, na przykład w systemach energii odnawialnej lub zastosowaniach morskich.

Gęstość energii

Ogólnie rzecz biorąc, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) mają niższą gęstość energii niż akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion). Akumulatory LiFePO4 mają gęstość energii około 120–160 Wh/kg, natomiast akumulatory litowo-jonowe mogą mieć gęstość energii do 200–300 Wh/kg lub więcej.

Jedną z przyczyn niższej gęstości energii w akumulatorach słonecznych LiFePO4 jest większy rozmiar cząstek katody, co skutkuje mniejszą powierzchnią i mniejszą liczbą miejsc aktywnych do przechowywania jonów litu podczas ładowania i rozładowywania. Innym powodem jest niższe napięcie akumulatorów LiFePO4 (3,2 V na ogniwo) w porównaniu do akumulatorów Li-Ion (3,6-3,7 V na ogniwo), co oznacza, że ​​do zasilenia danego akumulatora, aby osiągnąć napięcie, potrzeba większej liczby ogniw.

Waga

Ogólnie rzecz biorąc, akumulatory LiFePO4 są nieco cięższe niż akumulatory litowo-jonowe przy danej pojemności energetycznej.

Dzieje się tak dlatego, że akumulatory LiFePO4 mają niższą gęstość energii niż akumulatory litowo-jonowe, co oznacza, że ​​wymagają więcej materiału (takiego jak elektrody, separator, elektrolit itp.) do magazynowania równoważnej ilości energii. Dodatkowo w akumulatorach LiFePO4 zazwyczaj stosuje się grubsze elektrody i separatory, co zwiększa ich całkowitą wagę.

Na przykład typowy akumulator LiFePO4 12 V 100 Ah stosowany w pojazdach elektrycznych lub systemach zasilania energią słoneczną może ważyć około 30–40 kg, podczas gdy podobny akumulator litowo-jonowy może ważyć około 20–30 kg. Należy jednak pamiętać, że waga to tylko jeden z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze akumulatora i, w zależności od zastosowania, ważne mogą być również inne czynniki, takie jak bezpieczeństwo, koszt, żywotność i zakres temperatur pracy.

Zakres temperatury

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (akumulatory LiFePO4) mają szerszy zakres temperatur niż akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion). Akumulatory LiFePO4 mogą zazwyczaj pracować w zakresie temperatur od -20°C do 60°C (-4°F do 140°F), natomiast akumulatory litowo-jonowe zazwyczaj działają w węższym zakresie temperatur od -20°C do 45°C działał (-4°F do 113°F).

Jedną z przyczyn tej różnicy jest to, że akumulatory LiFePO4 mają bardziej stabilny skład chemiczny i są mniej podatne na niestabilność termiczną, niebezpieczny stan, w którym akumulator przegrzewa się i zapala. Dzięki temu akumulatory LiFePO4 nadają się do zastosowań, w których mogą wystąpić wysokie temperatury, takich jak pojazdy elektryczne, systemy energii odnawialnej i zastosowania wojskowe.

Natomiast akumulatory litowo-jonowe są bardziej wrażliwe na wysokie temperatury i mogą szybko ulec zniszczeniu, a nawet zapalić się, jeśli zostaną wystawione na działanie ekstremalnych temperatur lub warunków. Dlatego akumulatory litowo-jonowe są zwykle wyposażone w systemy zarządzania temperaturą, takie jak wentylatory chłodzące lub radiatory, aby zapobiec przegrzaniu.

Należy jednak zauważyć, że konkretny zakres temperatur akumulatora zależy również od innych czynników, takich jak konfiguracja akumulatora, opakowanie i warunki pracy. Ogólnie rzecz biorąc, zarówno akumulatory LiFePO4, jak i akumulatory litowo-jonowe powinny być eksploatowane w określonych zakresach temperatur, aby zapewnić optymalną wydajność i bezpieczeństwo.

długość życia

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) mają dłuższą żywotność niż baterie litowo-jonowe (Li-Ion). Akumulatory litowo-jonowe mają zazwyczaj żywotność około 500–1500 cykli, natomiast akumulatory LiFePO4 mogą zwykle wytrzymać do 2000–5000 cykli. Dzięki ogniwom klasy A akumulatory Timeusb LiFePO4 wytrzymują do 4000-15000 cykli.

Jednym z powodów tej różnicy jest to, że akumulatory LiFePO4 mają bardziej stabilny skład chemiczny i są mniej podatne na degradację podczas cykli ładowania i rozładowywania. Materiał katody z fosforanu żelaza zastosowany w akumulatorze LiFePO4 jest również bardziej odporny na utlenianie i korozję, co pomaga utrzymać pojemność i wydajność akumulatora przez dłuższy czas.

Natomiast akumulatory litowo-jonowe są bardziej wrażliwe na cykliczne zmiany temperatury i z czasem mogą tracić pojemność z powodu takich czynników, jak degradacja elektrody, rozkład elektrolitu i rezystancja wewnętrzna. Może to prowadzić do skrócenia czasu pracy i wydajności, szczególnie przy dużych obciążeniach lub ekstremalnych temperaturach.

Należy jednak pamiętać, że konkretna żywotność akumulatora zależy od wielu czynników, takich jak: B. głębokość rozładowania, napięcie ładowania, temperaturę i sposób użytkowania. Ogólnie rzecz biorąc, zarówno akumulatory LiFePO4, jak i Li-Ion mogą działać niezawodnie przez wiele lat, jeśli będą eksploatowane w określonych parametrach i odpowiednio konserwowane.

Bezpieczeństwo

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (akumulatory LiFePO4) są ogólnie uważane za bezpieczniejsze niż akumulatory litowo-jonowe (akumulatory Li-Ion), szczególnie w niektórych zastosowaniach, w których bezpieczeństwo jest priorytetem.

Jednym z powodów tej różnicy jest to, że akumulatory LiFePO4 mają bardziej stabilny i solidny skład chemiczny w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Materiał katody z fosforanu żelaza stosowany w akumulatorach LiFePO4 jest bardziej odporny na niestabilność termiczną – niebezpieczny stan, który powoduje przegrzanie i zapłon akumulatora. Dzięki temu akumulatory LiFePO4 są mniej podatne na zapalenie się lub eksplozję, nawet w ekstremalnych warunkach, takich jak przeładowanie, zwarcie lub uszkodzenia mechaniczne.

Natomiast akumulatory litowo-jonowe są bardziej podatne na niekontrolowaną niestabilność cieplną ze względu na wyższą gęstość energii i bardziej reaktywne materiały katodowe, takie jak tlenek litu i kobaltu lub tlenek litu, niklu, manganu i kobaltu. Niekontrolowana temperatura może spowodować katastrofalną awarię akumulatora, uwolnienie toksycznych gazów, płomieni, a czasami eksplozji.

Należy jednak pamiętać, że zarówno akumulatory LiFePO4, jak i litowo-jonowe mogą być bezpieczne, jeśli są odpowiednio zaprojektowane, wyprodukowane i obsługiwane w ramach określonych parametrów. Czynniki takie jak konstrukcja ogniwa, opakowanie, kontrola jakości i funkcje bezpieczeństwa, takie jak obwody zabezpieczające i systemy zarządzania temperaturą, mogą odgrywać rolę w zapewnieniu bezpiecznej i niezawodnej pracy akumulatora.

Koszt

Baterie litowo-jonowe są generalnie tańsze i powszechniejsze niż baterie LiFePO4. Ta przewaga kosztowa wynika częściowo z wyższej gęstości energii akumulatorów litowo-jonowych, która pozwala im przechowywać więcej energii na jednostkę objętości lub masy, co czyni je bardziej opłacalnymi w niektórych zastosowaniach.

Z kolei akumulatory LiFePO4 są zazwyczaj droższe ze względu na mniejszą gęstość energii i zastosowanie w ich konstrukcji droższych materiałów. Jednak akumulatory LiFePO4 mają dłuższą żywotność i wyższe standardy bezpieczeństwa niż akumulatory litowo-jonowe, co może skutkować niższymi kosztami długoterminowymi i mniejszym ryzykiem w przypadku niektórych zastosowań, takich jak pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii odnawialnej.

Na przykład akumulator LiFePO4 o dużej pojemności 12 V 200 Ah Plus firmy Timeusb kosztuje 699,99 EUR, ma ponad 4000 cykli przy 100% DOD i może być używany przez ponad 10 lat, co oznacza mniej niż 2 EUR dziennie.

Część 4 . Porównanie zastosowań akumulatorów LiFePO4 i Li-Ion

Akumulatory LiFePO4 i akumulatory litowo-jonowe mają różne właściwości, dzięki czemu są bardziej odpowiednie do określonych zastosowań. Oto porównanie zastosowań dla każdego typu baterii:

Bateria LiFePO4:

Pojazdy elektryczne (EV): Akumulatory LiFePO4 charakteryzują się wysoką efektywnością energetyczną, długą żywotnością i doskonałymi funkcjami bezpieczeństwa, co czyni je popularnym wyborem w pojazdach elektrycznych.

Słoneczne systemy magazynowania: akumulatory litowe LiFePO4 wytrzymują wysokie temperatury i głębokie cykle, dlatego nadają się do magazynowania energii słonecznej.

Zastosowania morskie i RV: Akumulatory LiFePO4 są lekkie, trwałe i odporne na wstrząsy i wibracje, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań morskich i RV.

Bateria litowo-jonowa:

Elektronika użytkowa: Baterie litowo-jonowe charakteryzują się dużą gęstością energii, dzięki czemu idealnie nadają się do przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, laptopy i tablety.

Urządzenia medyczne: Akumulatory litowo-jonowe są stosowane w urządzeniach medycznych ze względu na ich dużą gęstość energii i długą żywotność.

Elektronarzędzia: Akumulatory litowo-jonowe są lekkie, mocne i można je szybko ładować, dzięki czemu idealnie nadają się do stosowania w elektronarzędziach.

Wniosek

Zarówno akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4), jak i akumulatory litowo-jonowe mają swoje mocne i słabe strony oraz odpowiednie zastosowania.

Jeśli potrzebujesz akumulatorów o głębokim cyklu ładowania do zasilania swojego samochodu kempingowego, łodzi lub domu, Timeusb zawsze zapewni Ci godne zaufania akumulatory i doskonałą obsługę.