امروزه تعداد زیادی باتری با انواع مختلف شیمی وجود دارد. محبوب ترین باتری های امروزی لیتیوم یون هستند. این گروه همچنین شامل باتری های لیتیوم-آهن-فسفات (فروفسفات) می باشد. در حالی که تمام باتری‌های این دسته از نظر مشخصات فنی تقریباً مشابه هستند، باتری‌های لیتیوم فسفات آهن ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند که آنها را از سایر باتری‌های ساخته شده با فناوری لیتیوم یون متمایز می‌کند.
داستان کشف باتری لیتیوم آهن فسفات
مخترع باتری LiFePO4 جان گودناف است که در سال 1996 در دانشگاه تگزاس بر روی یک ماده کاتدی جدید برای باتری‌های لیتیوم یون کار کرد. پروفسور موفق شد ماده ای بسازد که ارزان تر، سمیت کمتر و پایداری حرارتی بالایی داشته باشد. از جمله کاستی های باتری که از کاتد جدید استفاده می کرد ظرفیت کمتر بود.
هیچ کس به اختراع جان گودناف علاقه مند نبود، اما در سال 2003 A 123 Systems تصمیم گرفت این فناوری را توسعه دهد، زیرا آن را کاملا امیدوارکننده می دانست. بسیاری از شرکت های بزرگ سرمایه گذار این فناوری شده اند - Sequoia Capital، Qualcomm، Motorola.
ویژگی های باتری LiFePO4
ولتاژ باتری فرو فسفات مانند سایر باتری‌های لیتیوم یونی است. ولتاژ نامی به ابعاد باتری (اندازه، ضریب شکل) بستگی دارد. برای باتری های 18 650 این 3.7 ولت است، برای 10 440 (انگشت کوچک) - 3.2، برای 24 330 - 3.6.
تقریباً برای همه باتری ها، ولتاژ به تدریج در هنگام تخلیه کاهش می یابد. یکی از ویژگی های منحصر به فرد، پایداری ولتاژ هنگام کار با باتری های LiFePO4 است. باتری‌هایی که با استفاده از فناوری نیکل ساخته شده‌اند (نیکل-کادمیم، نیکل-فلز هیدرید) دارای ویژگی‌های ولتاژ مشابهی هستند.
بسته به اندازه، یک باتری فسفات آهن لیتیوم می تواند بین 3.0 تا 3.2 ولت تا زمانی که به طور کامل تخلیه شود، تولید کند. این ویژگی در هنگام استفاده در مدارها مزایای بیشتری به این باتری ها می دهد، زیرا عملاً نیاز به تنظیم ولتاژ را از بین می برد.
ولتاژ تخلیه کامل 2.0 ولت است، که کمترین حد تخلیه ثبت شده در بین هر باتری با فناوری لیتیوم است. این باتری ها پیشرو هستندعمر مفید، که معادل 2000 سیکل برای شارژ و دشارژ است. باتری‌های LiFePO4 با توجه به ایمنی ساختار شیمیایی‌شان، می‌توانند با استفاده از روش دلتا V شتاب‌دهنده ویژه زمانی که جریان زیادی به باتری وارد می‌شود، شارژ شوند.
بسیاری از باتری ها نمی توانند این روش شارژ را تحمل کنند و باعث گرم شدن بیش از حد و خراب شدن آنها می شود. در مورد باتری های لیتیوم-آهن-فسفات استفاده از این روش نه تنها امکان پذیر است، بلکه حتی توصیه می شود. بنابراین، شارژرهای مخصوصی برای شارژ چنین باتری هایی وجود دارد. البته چنین شارژرهایی را نمی توان روی باتری هایی با مواد شیمیایی دیگر استفاده کرد. بسته به فرم فاکتور، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات این شارژرها را می‌توان در عرض 15 تا 30 دقیقه به طور کامل شارژ کرد.
تحولات اخیر در زمینه باتری‌های LiFePO4 باتری‌هایی با محدوده دمای عملیاتی بهبود یافته را به کاربر ارائه می‌دهد. اگر محدوده عملکرد استاندارد برای باتری های لیتیوم یونی 20- تا 20+ درجه سانتیگراد باشد، باتری های فسفات آهن لیتیوم می توانند در محدوده 30- تا 55+ کاملاً کار کنند. شارژ یا تخلیه باتری در دماهای بالاتر یا کمتر از دمایی که توضیح داده شد به شدت به باتری آسیب می رساند.
باتری های لیتیوم فسفات آهن نسبت به سایر باتری های لیتیوم یونی بسیار کمتر تحت تأثیر اثر پیری قرار می گیرند. پیری از دست دادن طبیعی ظرفیت در طول زمان است که مستقل از اینکه آیا باتری استفاده می شود یا نهدر قفسه است در مقایسه، همه باتری‌های لیتیوم یون هر سال حدود 10 درصد ظرفیت خود را از دست می‌دهند. فسفات آهن لیتیوم تنها 1.5% از دست می دهد.
عیب این باتری ها ظرفیت کمتر آن است که 14٪ کمتر (یا بیشتر) نسبت به سایر باتری های لیتیوم یونی است.
ایمنی باتری فروفسفات
این نوع باتری ها یکی از ایمن ترین ها در بین انواع باتری های موجود در نظر گرفته می شود. باتری‌های لیتیوم فسفات LiFePO4 دارای مواد شیمیایی بسیار پایداری هستند و می‌توانند بارهای سنگین را در هنگام تخلیه (در عملیات مقاومت کم) و شارژ (هنگام شارژ باتری با جریان‌های بالا) به خوبی تحمل کنند.
با توجه به این واقعیت که فسفات ها از نظر شیمیایی ایمن هستند، دفع این باتری ها پس از اینکه منابع خود را به دست آوردند راحت تر است. بسیاری از باتری‌های دارای مواد شیمیایی خطرناک (مانند لیتیوم-کبالت) برای از بین بردن خطرات زیست‌محیطی خود باید تحت فرآیندهای بازیافت اضافی قرار گیرند.
شارژ باتری های لیتیوم آهن فسفات
یکی از دلایل علاقه تجاری سرمایه گذاران به شیمی فرو فسفات، توانایی شارژ سریع، ناشی از پایداری آن بود. بلافاصله پس از سازماندهی انتشار نوار نقاله باتری های LiFePO4، آنها به عنوان باتری هایی قرار گرفتند که می توانند به سرعت شارژ شوند.
شارژرهای ویژه ای برای این منظور تولید شده است. همانطور که در بالا ذکر شد، چنین شارژرهایی را نمی توان روی باتری های دیگر استفاده کرد، زیرا باعث گرم شدن بیش از حد آنها می شود و آسیب زیادی به آنها وارد می کند.آنها.
شارژر مخصوص این باتری ها می تواند آنها را در 12-15 دقیقه شارژ کند. باتری های فرو فسفات را می توان با شارژرهای معمولی نیز شارژ کرد. همچنین گزینه های شارژر ترکیبی با هر دو حالت شارژ وجود دارد. بهترین گزینه، البته، استفاده از شارژرهای هوشمند با گزینه های متعدد برای کنترل فرآیند شارژ است.
دستگاه باتری فسفات آهن لیتیوم
باتری لیتیوم-آهن-فسفات LiFePO4 هیچ ویژگی خاصی در ساختار داخلی در مقایسه با همتایان خود در فناوری شیمیایی ندارد. فقط یک عنصر دستخوش تغییر شده است - کاتدی ساخته شده از فسفات آهن. ماده آند لیتیوم است (همه باتری های لیتیوم یون دارای آند لیتیوم هستند).
عملکرد هر باتری بر اساس برگشت پذیری یک واکنش شیمیایی است. در غیر این صورت، فرآیندهایی که در داخل باتری اتفاق می افتد، فرآیندهای اکسیداسیون و کاهش نامیده می شوند. هر باتری از الکترود تشکیل شده است - یک کاتد (منهای) و یک آند (به علاوه). همچنین، در داخل هر باتری یک جداکننده وجود دارد - یک ماده متخلخل آغشته به یک مایع خاص - یک الکترولیت.
وقتی باتری خالی می شود، یون های لیتیوم از طریق جداکننده از کاتد به آند حرکت می کنند و بار انباشته شده (اکسیداسیون) را ایجاد می کنند. هنگامی که یک باتری شارژ می شود، یون های لیتیوم در جهت مخالف از آند به کاتد حرکت می کنند و بار را جمع می کنند (بازیابی).
انواع باتری های لیتیوم آهن فسفات
همه انواع باتری ها در این شیمی را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:
- کاملباتری.
- سلولهای بزرگ به شکل موازی پا.
- سلول های کوچک به شکل موازی پایه (منشور - باتری های LiFePO4 در 3.2 ولت).
- سلولهای سکه کوچک (بسته‌ها).
- باتری‌های استوانه‌ای.
باتری ها و سلول های فسفات آهن لیتیوم می توانند ولتاژ نامی متفاوتی از ۱۲ تا ۶۰ ولت داشته باشند. آنها از بسیاری جهات از باتری های سرب اسیدی سنتی بهتر عمل می کنند: زمان چرخه بسیار بیشتر است، وزن آن چندین برابر کمتر است، و چندین بار سریعتر شارژ می شوند.
باتری های استوانه ای در این شیمی هم به صورت جداگانه و هم به صورت زنجیره ای استفاده می شوند. ابعاد این باتری‌های استوانه‌ای بسیار متفاوت است: از 14500 (نوع انگشتی) تا 32650.
باتری های لیتیوم فسفات آهن
باتری‌های فرو فسفات برای دوچرخه‌ها و چرخه‌های الکتریکی شایسته توجه ویژه هستند. با اختراع یک کاتد جدید آهن فسفات، همراه با انواع دیگر باتری‌های مبتنی بر این شیمی، باتری‌های خاصی نیز به وجود آمد که به دلیل بهبود ویژگی‌ها و وزن سبک‌تر، می‌توان به راحتی از آنها حتی در دوچرخه‌های معمولی استفاده کرد. چنین باتری هایی بلافاصله در بین طرفداران ارتقاء دوچرخه های خود محبوبیت پیدا کردند.
باطری های فسفات آهن لیتیوم می توانند چندین ساعت دوچرخه سواری بی دغدغه را ارائه دهند که رقابتی شایسته برای موتورهای احتراق داخلی است که در گذشته اغلب روی دوچرخه ها نیز نصب می شدند. معمولا برای داده هابرای این منظور از باتری‌های 48 ولتی LiFePO4 استفاده می‌شود، اما امکان خرید باتری‌های 25، 36 و 60 ولت وجود دارد.
کاربرد باتری های فرو فسفات
نقش باتری ها در این شیمی بدون توضیح واضح است. منشورها برای اهداف مختلفی استفاده می شوند - باتری های LiFePO4 3، 2 ولت. سلول های بزرگتر به عنوان عناصر سیستم های بافر برای انرژی خورشیدی و توربین های بادی استفاده می شوند. باتری‌های فرو فسفات به طور فعال در ساخت وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند.
باتری های تخت کوچک برای تلفن ها، لپ تاپ ها و رایانه های لوحی استفاده می شود. باتری‌های استوانه‌ای با فاکتورهای مختلف برای اسلحه‌های airsoft، سیگارهای الکترونیکی، مدل‌های رادیویی کنترل‌شده و غیره استفاده می‌شوند.
