Nykyään on olemassa suuri määrä paristoja, joiden kemiat ovat erilaisia. Nykyään suosituimmat akut ovat litiumioniakut. Tähän ryhmään kuuluvat myös litium-rautafosfaatti (ferrofosfaatti) akut. Vaikka kaikki tämän luokan akut ovat teknisesti suurin piirtein samanlaisia, litiumrautafosfaattiakuilla on omat ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka erottavat ne muista litiumioniteknologialla valmistetuista akuista.
Tarina litiumrautafosfaattiakun löytämisestä
LiFePO4-akun keksijä on John Goodenough, joka työskenteli vuonna 1996 Texasin yliopistossa litiumioniakkujen uuden katodimateriaalin parissa. Professori onnistui luomaan materiaalin, joka on halvempi, jolla on vähemmän myrkyllisyys ja korkea lämpöstabiilisuus. Uutta katodia käyttäneen akun puutteista mainittakoon alhaisempi kapasiteetti.
Kukaan ei ollut kiinnostunut John Goodenoughin keksinnöstä, mutta vuonna 2003 A 123 Systems päätti kehittää tätä tekniikkaa pitäen sitä varsin lupaavana. Monet suuret yritykset ovat sijoittaneet tähän tekniikkaan - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
LiFePO4-akkujen ominaisuudet
Ferrofosfaattiakun jännite on sama kuin muiden litiumioniteknologian akkujen jännite. Nimellisjännite riippuu akun mitoista (koko, muotokerroin). Akuille 18 650 tämä on 3,7 volttia, 10 440 (pienet sormet) - 3,2, 24 330 - 3,6.
Melkein kaikkien akkujen jännite laskee vähitellen purkamisen aikana. Yksi ainutlaatuisista ominaisuuksista on jännitteen vakaus käytettäessä LiFePO4-akkuja. Nikkeliteknologialla (nikkeli-kadmium, nikkeli-metallihydridi) valmistetuilla akuilla on samank altaiset jänniteominaisuudet.
Koosta riippuen litiumrautafosfaattiakku voi tuottaa 3,0–3,2 volttia, kunnes se on täysin purkautunut. Tämä ominaisuus antaa enemmän etuja näille akuille, kun niitä käytetään piireissä, koska se käytännössä eliminoi jännitteen säätelyn tarpeen.
Täysi purkausjännite on 2,0 volttia, mikä on litiumteknologian akkujen alhaisin tallennettu purkausraja. Nämä akut ovat johtaviakäyttöikä, joka vastaa 2000 lataus- ja purkujaksoa. Kemiallisen rakenteensa turvallisuuden vuoksi LiFePO4-akut voidaan ladata erityisellä kiihdytetyllä delta V -menetelmällä, kun akkuun kohdistuu suuri virta.
Monet akut eivät kestä tätä lataustapaa, jolloin ne ylikuumenevat ja heikkenevät. Litium-rauta-fosfaattiakkujen tapauksessa tämän menetelmän käyttö ei ole vain mahdollista, vaan jopa suositeltavaa. Siksi on olemassa erityisiä latureita erityisesti tällaisten akkujen lataamiseen. Tällaisia latureita ei tietenkään voida käyttää muun kemian akuissa. Muodosta riippuen näiden latureiden litiumrautafosfaattiakut voidaan ladata täyteen 15–30 minuutissa.
Viimeaikainen kehitys LiFePO4-akkujen alalla tarjoaa käyttäjälle parannetun käyttölämpötila-alueen. Jos litiumioniakkujen vakiokäyttöalue on -20 - +20 celsiusastetta, niin litiumrautafosfaattiakut voivat toimia täydellisesti -30 - +55 astetta. Akun lataaminen tai purkaminen kuvattua korkeammassa tai alhaisemmassa lämpötilassa vahingoittaa akkua vakavasti.
Litium-rautafosfaattiakkuihin vaikuttaa paljon vähemmän vanhenemisvaikutus kuin muihin litiumioniakkuihin. Vanheneminen on luonnollista kapasiteetin menetystä ajan kuluessa, joka ei riipu siitä, käytetäänkö akkua vaion hyllyssä. Vertailun vuoksi, kaikki litiumioniakut menettävät noin 10 % kapasiteetista vuosittain. Litiumrautafosfaatti häviää vain 1,5 %.
Näiden akkujen huono puoli on pienempi kapasiteetti, joka on noin 14 % vähemmän kuin muissa litiumioniakuissa.
Ferrofosfaattiakun turvallisuus
Tämäntyyppisiä akkuja pidetään yhtenä turvallisimmista kaikkien olemassa olevien akkutyyppien joukossa. LiFePO4-litiumfosfaattiakuilla on erittäin vakaa kemia, ja ne kestävät hyvin raskaita kuormituksia purkauksessa (pienivastuksen käytössä) ja latauksessa (kun akkua ladataan suurilla virroilla).
Koska fosfaatit ovat kemiallisesti turvallisia, nämä akut on helpompi hävittää, kun ne ovat käyttäneet resurssejaan. Monet vaarallista kemiaa sisältävät akut (kuten litium-koboltti) on kierrätettävä lisäprosesseja ympäristövaaran eliminoimiseksi.
Litium-rautafosfaattiakkujen lataaminen
Yksi syistä sijoittajien kaupalliseen kiinnostukseen ferrofosfaattikemiaa kohtaan oli sen vakaudesta johtuva nopea latauskyky. Heti LiFePO4-akkujen kuljettimen vapauttamisen järjestämisen jälkeen ne asetettiin akuiksi, jotka voidaan ladata nopeasti.
Tätä tarkoitusta varten on valmistettu erityisiä latureita. Kuten edellä jo mainittiin, tällaisia latureita ei voi käyttää muiden akkujen kanssa, koska tämä aiheuttaa niiden ylikuumenemisen ja vahingoittaa suurestiniitä.
Näiden akkujen erikoislaturi lataa ne 12–15 minuutissa. Ferrofosfaattiakkuja voidaan ladata myös tavallisilla latureilla. Saatavilla on myös yhdistettyjä latausvaihtoehtoja molemmilla lataustiloilla. Paras vaihtoehto olisi tietysti käyttää älykkäitä latureita, joissa on monia vaihtoehtoja latausprosessin ohjaamiseen.
Litium-rautafosfaattiakkulaite
Litium-rautafosfaatti LiFePO4-akulla ei ole erityispiirteitä kemiantekniikan vastaaviin verrattuna. Vain yksi elementti on muuttunut - rautafosfaatista valmistettu katodi. Anodimateriaali on litiumia (kaikissa litiumioniakuissa on litium-anodi).
Kaikkien akkujen toiminta perustuu kemiallisen reaktion palautuvuuteen. Muuten akun sisällä tapahtuvia prosesseja kutsutaan hapetus- ja pelkistysprosesseiksi. Mikä tahansa akku koostuu elektrodeista - katodista (miinus) ja anodista (plus). Jokaisen akun sisällä on myös erotin - huokoinen materiaali, joka on kyllästetty erityisellä nesteellä - elektrolyytillä.
Kun akku on tyhjä, litiumionit siirtyvät erottimen läpi katodilta anodille ja vapauttavat kertyneen varauksen (hapettuminen). Kun akku ladataan, litiumionit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan anodista katodille ja keräävät varausta (palautumista).
Litium-rautafosfaattiparistotyypit
Kaikki tämän kemian paristotyypit voidaan jakaa neljään luokkaan:
- ValmisAkku.
- Suuret solut suuntaissärmiöiden muodossa.
- Pienet kennot suuntaissärmiöiden muodossa (prismat - LiFePO4-akut 3,2 V:lla).
- Pienet kolikkosolut (pakkaukset).
- Sylinteripatterit.
Litium-rautafosfaattiakkujen ja -kennojen nimellisjännitteet voivat olla 12–60 volttia. Ne ylittävät perinteisiä lyijyakkuja monin tavoin: sykliaika on paljon pidempi, paino on useita kertoja pienempi ja ne latautuvat useita kertoja nopeammin.
Tämän kemian sylinterimäisiä paristoja käytetään sekä erikseen että ketjussa. Näiden sylinterimäisten paristojen mitat ovat hyvin erilaisia: 14 500:sta (sormityyppi) 32 650:een.
Litium-rautafosfaattiakut
Pyörien ja sähköpyörien ferrofosfaattiakut ansaitsevat erityistä huomiota. Uuden rautafosfaattikatodin keksimisen myötä muiden tähän kemiaan perustuvien akkutyyppien ohella syntyivät erikoisakut, joita parantuneiden ominaisuuksiensa ja kevyemmän painonsa ansiosta voidaan käyttää kätevästi myös tavallisissa polkupyörissä. Tällaiset akut saivat heti suosion pyöriensä päivittämisen fanien keskuudessa.
Litium-rautafosfaattiakut pystyvät tarjoamaan useita tunteja huoletonta pyöräilyä, mikä on arvokas kilpailu polttomoottoreille, joita myös aiemmin usein asennettiin polkupyöriin. Yleensä dataa vartenkäyttötarkoituksiin käytetään 48v LiFePO4-akkuja, mutta on mahdollista ostaa 25, 36 ja 60 voltin akkuja.
Ferrofosfaattiakkujen käyttö
Akkujen rooli tässä kemiassa on selvä ilman kommentteja. Prismoja käytetään eri tarkoituksiin - LiFePO4 3, 2 V akut. Suurempia kennoja käytetään aurinkoenergian ja tuuliturbiinien puskurijärjestelmien elementteinä. Ferrofosfaattiakkuja käytetään aktiivisesti sähköajoneuvojen rakentamisessa.
Pikkuja, tyhjiä akkuja käytetään puhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja taulutietokoneissa. Erimuotoisia sylinterimäisiä paristoja käytetään airsoft-aseissa, sähkösavukkeissa, radio-ohjatuissa malleissa jne.
