Tänapäeval on saadaval suur hulk erinevat tüüpi keemiaga patareisid. Tänapäeval on kõige populaarsemad liitiumioonakud. Sellesse rühma kuuluvad ka liitium-raud-fosfaat (ferrofosfaat) patareid. Kuigi kõik selle kategooria akud on tehniliste näitajate poolest üldjoontes sarnased, on liitiumraudfosfaatakudel oma ainulaadsed omadused, mis eristavad neid teistest liitiumioontehnoloogiat kasutades valmistatud akudest.
Liitiumraudfosfaatpatarei avastamise lugu
LiFePO4 aku leiutaja on John Goodenough, kes töötas 1996. aastal Texase ülikoolis liitiumioonakude uue katoodmaterjali kallal. Professoril õnnestus luua materjal, mis on odavam, vähem mürgine ja kõrge termilise stabiilsusega. Uut katoodi kasutava aku puuduste hulgas oli väiksem mahutavus.
Keegi polnud John Goodenoughi leiutisest huvitatud, kuid 2003. aastal otsustas A 123 Systems selle tehnoloogia välja töötada, pidades seda üsna paljutõotavaks. Paljud suured ettevõtted on sellesse tehnoloogiasse investeerinud – Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
LiFePO4 akude omadused
Ferrofosfaataku pinge on sama, mis teistel liitiumioontehnoloogia akudel. Nimipinge oleneb aku mõõtmetest (suurus, kujutegur). Akude puhul 18 650 on see 3,7 volti, 10 440 (väikesed sõrmed) puhul - 3,2, 24 330 - 3,6.
Peaaegu kõigi akude puhul langeb pinge tühjenemise ajal järk-järgult. Üks unikaalseid omadusi on pinge stabiilsus LiFePO4 akudega töötamisel. Nikkeltehnoloogiaga (nikkel-kaadmium, nikkel-metallhüdriid) valmistatud akude pingeomadused on sarnased.
Sõltuv alt suurusest suudab liitiumraudfosfaatpatarei anda 3,0–3,2 volti kuni täieliku tühjenemiseni. See omadus annab nendele akudele rohkem eeliseid, kui neid kasutatakse ahelates, kuna see välistab praktiliselt vajaduse pinge reguleerimise järele.
Täislahenduspinge on 2,0 volti, mis on kõigi liitiumtehnoloogia akude madalaim registreeritud tühjenemise piir. Need akud on selles valdkonnas liidridkasutusiga, mis võrdub 2000 laadimis- ja tühjendustsükliga. Tänu nende keemilise struktuuri ohutusele saab LiFePO4 akusid laadida spetsiaalse kiirendatud delta V meetodiga, kui akule rakendatakse suurt voolu.
Paljud akud ei talu seda laadimisviisi, mistõttu need ülekuumenevad ja riknevad. Liitium-raud-fosfaatpatareide puhul on selle meetodi kasutamine mitte ainult võimalik, vaid isegi soovitatav. Seetõttu on selliste akude laadimiseks spetsiaalsed laadijad. Loomulikult ei saa selliseid laadijaid kasutada muu keemiaga akudel. Olenev alt vormitegurist saab nende laadijate liitiumraudfosfaatakusid täis laadida 15–30 minutiga.
Hiljutised arengud LiFePO4 akude valdkonnas pakuvad kasutajale täiustatud töötemperatuurivahemikuga akusid. Kui liitiumioonakude standardne tööpiirkond on -20 kuni +20 kraadi Celsiuse järgi, siis liitiumraudfosfaatakud võivad ideaalselt töötada vahemikus -30 kuni +55. Aku laadimine või tühjendamine temperatuuril, mis on kõrgem või madalam kui kirjeldatud, kahjustab akut tõsiselt.
Liitiumraudfosfaatpatareisid mõjutab vananemismõju palju vähem kui teisi liitiumioonakusid. Vananemine on loomulik võimsuse kadu aja jooksul, mis ei sõltu sellest, kas akut kasutatakse võion riiulil. Võrdluseks, kõik liitiumioonakud kaotavad igal aastal umbes 10% mahutavust. Liitiumraudfosfaat kaotab ainult 1,5%.
Nende akude negatiivne külg on väiksem mahutavus, mis on 14% väiksem (või nii) kui teistel liitiumioonakudel.
Ferrofosfaataku ohutus
Seda tüüpi akusid peetakse kõigi olemasolevate akutüüpide seas üheks ohutumaks. LiFePO4 liitiumfosfaatakudel on väga stabiilne keemia ja need taluvad hästi suuri koormusi tühjenemisel (madala takistusega töörežiimil) ja laadimisel (aku laadimisel suure vooluga).
Kuna fosfaadid on keemiliselt ohutud, on neid akusid lihtsam ära visata pärast nende ressursi kasutamist. Paljud ohtliku keemilise koostisega akud (nt liitium-koob alt) peavad läbima täiendava ringlussevõtu protsessi, et kõrvaldada nende keskkonnaoht.
Liitiumraudfosfaatpatareide laadimine
Üks investorite ärihuvi põhjusi ferrofosfaatkeemia vastu oli selle stabiilsusest tulenev kiire laadimisvõime. Kohe pärast LiFePO4 akude konveierilt vabastamist positsioneeriti need akudeks, mida saab kiiresti laadida.
Selleks otstarbeks on toodetud spetsiaalsed laadijad. Nagu eespool juba mainitud, ei saa selliseid laadijaid kasutada teiste akudega, kuna see põhjustab nende ülekuumenemist ja kahjustab oluliseltneid.
Nende akude spetsiaalne laadija suudab neid laadida 12–15 minutiga. Ferrofosfaatakusid saab laadida ka tavaliste laadijatega. Samuti on kombineeritud laadimisvõimalused mõlema laadimisrežiimiga. Parim variant oleks muidugi kasutada laadimisprotsessi juhtimiseks nutikaid laadijaid, millel on palju võimalusi.
Liitiumraudfosfaataku seade
Liitium-raud-fosfaat-LiFePO4 akul pole sisestruktuuris mingeid erilisi omadusi võrreldes keemiatehnoloogia kolleegidega. Vaid üks element on muutunud – raudfosfaadist valmistatud katood. Anoodi materjal on liitium (kõigil liitiumioonakudel on liitiumianood).
Iga aku töö põhineb keemilise reaktsiooni pöörduvusel. Vastasel juhul nimetatakse aku sees toimuvaid protsesse oksüdatsiooni- ja redutseerimisprotsessideks. Iga aku koosneb elektroodidest - katoodist (miinus) ja anoodist (pluss). Samuti on iga aku sees eraldaja – poorne materjal, mis on immutatud spetsiaalse vedelikuga – elektrolüüdiga.
Aku tühjenemisel liiguvad liitiumioonid läbi separaatori katoodilt anoodile, eraldades kogunenud laengu (oksüdatsioon). Kui aku on laetud, liiguvad liitiumioonid anoodilt katoodile vastupidises suunas, kogudes laengut (taastumine).
Liitiumraudfosfaatpatareide tüübid
Kõik selle keemia tüüpi akud võib jagada nelja kategooriasse:
- ValmisAku.
- Suured lahtrid rööptahukate kujul.
- Väikesed elemendid rööptahukate kujul (prismad – LiFePO4 akud pingel 3,2 V).
- Väikesed mündilahtrid (pakid).
- Silindrilised patareid.
Liitiumraudfosfaatpatareidel ja -elementidel võib olla erinev nimipinge vahemikus 12 kuni 60 volti. Need ületavad mitmes mõttes traditsioonilisi pliiakusid: tsükliaeg on palju pikem, kaal mitu korda väiksem ja neid laetakse mitu korda kiiremini.
Selles keemias olevaid silindrilisi akusid kasutatakse nii eraldi kui ka ketti. Nende silindriliste patareide mõõtmed on väga erinevad: 14 500 (sõrmetüüp) kuni 32 650.
Liitiumraudfosfaatpatareid
Jalgrataste ja elektrirataste ferrofosfaatakud väärivad erilist tähelepanu. Uue raudfosfaatkatoodi leiutamisega tulid koos teist tüüpi sellel keemial põhinevate akudega välja ka spetsiaalsed akud, mida tänu oma paranenud omadustele ja kergemale kaalule saab mugav alt kasutada ka tavalistel jalgratastel. Sellised akud saavutasid oma jalgrataste uuendamise fännide seas kohe populaarsuse.
Liitiumraudfosfaatakud suudavad pakkuda mitu tundi muretut rattasõitu, mis on väärikas võistlus sisepõlemismootoritele, mida ka varem sageli jalgratastele paigaldati. Tavaliselt andmete jaoksotstarbel kasutatakse 48v LiFePO4 akusid, kuid on võimalik osta 25, 36 ja 60 volti patareisid.
Ferrofosfaatpatareide kasutamine
Akude roll selles keemias on ilma kommentaarideta selge. Prismad on kasutusel erinevatel eesmärkidel - LiFePO4 3, 2 v patareid. Suuremaid elemente kasutatakse päikeseenergia ja tuuleturbiinide puhversüsteemide elementidena. Ferrofosfaatakusid kasutatakse aktiivselt elektrisõidukite ehitamisel.
Väikesi tühjenenud akusid kasutatakse telefonide, sülearvutite ja tahvelarvutite jaoks. Erineva kujuga silindrilisi patareisid kasutatakse airsoft-relvade, elektrooniliste sigarettide, raadio teel juhitavate mudelite jms jaoks.
