LiFePO4 и Li-ion NMC против свинца: сравнение химий

Три химии в двух словах

Когда сравнивают LiFePO4 и Li-ion, обычно имеют в виду два вида литий-ионных аккумуляторов с разными катодами. В литий-железо-фосфатном катод из фосфата железа, номинал 3,2 В на ячейку. В никель-марганец-кобальтовом (NMC) катод из слоистого оксида этих металлов, номинал 3,6-3,7 В. Анод у обоих графитовый, электролит - соль лития в органическом растворителе. Третий вариант - свинцово-кислотный аккумулятор: пластины из свинца и его диоксида в серной кислоте, 2,0 В на элемент.

Общие отличия литий-железо-фосфата от «обычного» лития коротко описаны в статье «Что такое LiFePO4». Здесь сравним три химии именно для накопителя энергии: дома, солнечной станции, резервного питания, где батарея стоит на месте и работает годами.

Безопасность: что происходит при нагреве

Главное различие - в том, как катод ведёт себя при перегреве, перезаряде или повреждении. В фосфате железа кислород прочно связан в фосфатной группе, а кристаллическая решётка типа оливина устойчива. Катод не выделяет кислород, который мог бы окислить электролит, поэтому самоподдерживающегося теплового разгона нет. Иттрий в катоде ячеек Winston ещё повышает этот запас, подробнее - в статье о термостойкости LFP и LYP.

Слоистый оксид NMC при нагреве примерно до 200-250 °C начинает отдавать кислород. Тот окисляет электролит, выделяется ещё больше тепла, и процесс разгоняется сам: так возникают пожары батарей электромобилей и самокатов. Свинцовый аккумулятор теплового разгона не знает, но при перезаряде выделяет водород и кислород, поэтому помещению нужна вентиляция.

Для стационарного накопителя, особенно в жилом доме, порядок по запасу безопасности такой: литий-железо-фосфат, затем свинец, затем NMC.

Ресурс: почему одни стареют быстрее других

Все аккумуляторы теряют ёмкость с каждым циклом, но по разным причинам:

• Литий-железо-фосфат стареет медленно: часть лития постепенно выбывает из работы, связываясь в защитном слое на аноде, а прочный катод почти не меняется. Ячейки Winston рассчитаны на 8000 циклов при глубине разряда 70 % и 5000 при 80 %.
• NMC теряет металлы катода: никель и марганец понемногу переходят в электролит, на поверхности катода растёт слой с высоким сопротивлением. Типичный ресурс - 1000-3000 циклов, и он заметно сокращается в жару.
• Свинец страдает от сульфатации: если батарея стоит недозаряженной, кристаллы сульфата свинца твердеют и перестают растворяться, а активная масса осыпается с пластин. У AGM это 300-500 полных циклов.

Механизмы старения литий-железо-фосфата подробно разобраны в статье о деградации LiFePO4.

Температура: холод и жара

На холоде любая химия отдаёт меньше: электролит густеет, реакции замедляются. Ячейки Winston LYP с иттрием заряжаются и разряжаются при температуре от −45 до +85 °C. У обычного LiFePO4 и у NMC заряд на морозе обычно ограничивают нулём градусов. NMC в жару стареет заметно быстрее, ему лучше всего в узком диапазоне комнатных температур, поэтому накопители на нём обычно снабжают кондиционированием. Свинец заряжается и на холоде, но теряет большую часть ёмкости, а разряженный может замёрзнуть; в жару у него быстрее испаряется электролит и корродируют пластины.

Для батареи в неотапливаемом помещении, на улице или в контейнере это решающий пункт: чем шире рабочий диапазон ячейки, тем меньше оборудования для обогрева и охлаждения нужно строить вокруг неё.

Масса, объём и потери энергии

По энергии на килограмм NMC впереди: 200-270 Вт·ч/кг на уровне ячейки. У литий-железо-фосфата - 70-180 Вт·ч/кг в зависимости от формата, у ячеек Winston в пластиковом корпусе - около 70-140 Вт·ч/кг. Свинец - около 30-40 Вт·ч/кг.

Пример для накопителя на 10 кВт·ч: батарея 48 В из 16 ячеек WB-LYP200AHA даёт 10,24 кВт·ч при массе ячеек 126,4 кг. Свинцовой батарее той же энергии понадобится около 300 кг, а из-за разряда только на 50 % для равной полезной энергии - вдвое больше. NMC выйдет легче всех, но в стационарном накопителе разница в массе почти ничего не решает.

Потери на заряде и разряде важнее. Литий-железо-фосфат теряет 3-5 % энергии, NMC - 4-6 %, свинец - 15-20 %. Если через накопитель за сутки проходит 10 кВт·ч, это 3650 кВт·ч в год. Свинец превращает в тепло 550-730 кВт·ч из них, литий-железо-фосфат - 110-180 кВт·ч. Для автономной станции это лишние панели, которые нужно поставить только ради потерь.

Сводное сравнение

Что выбрать для своей задачи

• Литий-железо-фосфат - для всего, что работает каждый день и должно прослужить больше пяти лет: солнечные станции, накопители для дома и предприятия, резервное питание связи, судовые системы. Особенно там, где батарея стоит в холоде или рядом с людьми.
• NMC - там, где каждый килограмм на счету, а срок службы короче: лёгкий транспорт, переносная техника. Для стационарного накопителя его преимущество почти не работает.
• Свинец - для резерва, который разряжается несколько раз в год, если важна только низкая стоимость покупки и есть кому следить за зарядом.

И одно общее правило: не смешивайте химии в одной системе. У них разные напряжения и профили заряда, и общая батарея состарится быстрее, чем каждая по отдельности.