Magazyn energii LiFePO4 – co to oznacza?

Litowo-jonowe magazyny energii – jakie technologie?

Najpopularniejszymi magazynami energii elektrycznej, które wykorzystują technologię akumulatorową są urządzenia, do których produkcji używa się jonów litu oraz jonów innych pierwiastków. W kartach produktowych domowych magazynów energii niekiedy w rubryce “technologia” pojawia się właśnie zwrot “litowo-jonowa”. Niestety nie jest to precyzyjne wskazanie, jakich związków oprócz litu użyto w konstrukcji akumulatorów, co oznacza, że konsument może nabyć urządzenie o różnych składowych pod względem zastosowanych w nim tlenków metali. Warto zatem szukać magazynów energii, których producenci wskazują precyzyjnie na zastosowaną w ich przypadku technologię. W kategorii akumulatorów litowo-jonowych wyróżnia się obecnie między innymi:

• NMC – akumulatory niklowo-manganowo-kobaltowe, a więc urządzenia których elektrody dodatnie zbudowane są z mieszaniny jonów niklu, manganu oraz kobaltu, a elektrody ujemne z grafitu (odmiany węgla). Charakteryzuje je bardzo wysoka gęstość energii, co sprawia, że często znajdują zastosowanie w elektromobilności;
• NCA – akumulatory niklowo-kobaltowo-glinowe, a więc urządzenia, na których katody składają się właśnie te pierwiastki w różnych proporcjach. Wydajność prądowa tych ogniw jest stosunkowo niewielka, jednak ich zaletą jest możliwość długiego przechowywania baterii bez utraty pojemności. Baterie NCA stosowane są między innymi w samochodach marki Tesla;
• LCO – akumulatory litowo-kobaltowe pojawiły się na rynku jako pierwsze z katodami zbudowanymi z tlenku metalu (w tym przypadku kobaltu) i były cenione za duże możliwości w zakresie pojemności. Niestety ich żywotność czy wydajność prądowa nie należą do rewelacyjnych, dlatego baterie tego typu znajdują najczęściej zastosowanie w niewielkiej elektronice użytkowej;
• LMO – akumulatory litowo-manganowe wyposażone są w ogniwa z katodami wykonanymi z tlenku manganu. Charakteryzują się one dużą wydajnością prądową i zdolnością do szybkiego ładowania i rozładowywania oraz względną stabilnością termiczną, co podnosi bezpieczeństwo ich użytkowania. Niewątpliwą wadą tej technologii jest niestety stosunkowo niska ilość cykli ładowania (300-500);
• LFP – akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe, których wzór chemiczny to LiFePO4. Jedną z ich wielu zalet są niewielkie wymiary i waga w stosunku do pojemności, jaką mogą zaoferować. Wykazują efektywność w różnych temperaturach i mogą pracować w stanie częściowego rozładowania, co nie wpływa na ich ogólną żywotność. Charakteryzują się zredukowanym współczynnikiem samorozładowania, dzięki czemu straty w magazynie energii są niewielkie.

Niektórzy eksperci z branży przewidują, że akumulatory lito-jonowe znikną z rynku i zostaną zastąpione innymi technologiami wykluczającymi coraz trudniejszy w dostępności lit. Dlaczego jednak to właśnie ten pierwiastek znalazł zastosowanie w tak wielu różnych technologiach akumulatorowych? Jakie cechy litu sprawiły, że wykorzystywany jest on na dużą skalę?

Magazyn energii LiFePO4 – czym się charakteryzuje?

Sukces rynkowy magazynów energii litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO4) jest wynikiem wielu zalet tych urządzeń związanych bezpośrednio z parametrami technologii LFP. Akumulatory wykorzystujące oprócz litu także tlenki żelaza i fosforu zostały wynalezione przez profesora Johna Goodenough’a, który dążył do opracowania nowego materiału mającego być budulcem katody. Profesorowi zależało na uzyskaniu ogniw o większej stabilności termicznej oraz zredukowanym negatywnym wpływie na środowisko naturalne.

W ten właśnie sposób powstały baterie LiFePO4, które na początku nie cieszyły się popularnością, jak zwykle ma to miejsce w przypadku nowych technologii. Tym niemniej w 2003 roku firma A123 Systems zauważyła potencjał wynalazku i postanowiła go rozwijać. Ogniwa LFP znajdują obecnie szerokie zastosowanie w magazynach energii do fotowoltaiki, z którą efektywnie współpracują. Jakie jednak cechy akumulatorów LiFePO4 stoją za ich sukcesem? Będą to między innymi:

• Płaski profil napięcia podczas ładowania i rozładowywania – stabilność napięcia przez większość procesu ładowania oraz rozładowywania magazynu energii LiFePO4 sprawia, że zminimalizowana została potrzeba regulacji tej wartości. Jak widać na poniższym wykresie w ostatnich fazach rozładowywania magazynu energii jego napięcie spada, co przekłada się na wyższą liczbę cykli, a tym samym żywotność akumulatora;

Magazyn energii LiFePO4 – zakres napięcia podczas ładowania i rozładowywania; Źródło: elektroda.pl

• Stabilność termiczna i bezpieczeństwo użytkowania – w kontekście magazynów energii użytkowanych w celach prywatnych lub na przykład jako magazyn energii w firmie, bezpieczeństwo systemu jest kluczowe. Akumulatory LiFePO4 wyprzedzają pod tym względem względem inne baterie litowo-jonowe, gdyż poprzez swój skład chemiczny ryzyko przegrzewania się magazynu energii redukują właściwie do minimum;
• Duża ilość i stabilność cykli ładowania – inwestorom decydującym się na podłączenie magazynu energii do swojego systemu energetycznego zależy na efektywnej pracy urządzenia przez jak najdłuższy czas. Ma to oczywiście bezpośrednie przełożenie na zwrot z inwestycji. W zależności od producenta oraz od przyjmowanej przez niego do testów głębokości rozładowania DoD (najczęściej od 80% do 100%) ilość cykli ładowania w magazynach energii LiFePO4 wynosi od 5000 do nawet 10 000;
• Większa tolerancja temperaturowa – zakres temperatur, w których można przechowywać magazyn energii LFP bez większej utraty pojemności wynosi średnio w zależności od producenta od -15 do 60 stopni Celsjusza. Optymalnymi warunkami dla pracy tego typu urządzenia są natomiast temperatury rzędu 10 do 25 stopni Celsjusza. W niskich temperaturach trzeba liczyć się z większymi spadkami napięcia;
• Niski stopień samorozładowania – dzięki zastosowanej technologii magazyny energii LFP wykazują bardzo niewielki stopień samorozładowania, który wynosi średnio od 3% do maksymalnie 5% w skali miesiąca. Jest to nieporównywalnie lepszy wynik w stosunku do innych technologii akumulatorowych;
• Zredukowany negatywny wpływ na środowisko – dzieki zastosowaniu technologii wykluczającej wykorzystanie kobaltu, magazyny energii LiFePO4 są bardziej przyjazne środowisku zarówno w zakresie ich produkcji, jak i utylizacji czy recyklingu. Ta cecha technologii LFP przy szeregu pozostałych zalet staje się coraz częściej argumentem przemawiającym za wyborem urządzeń w niej wykonanych.

Żywotność magazynów energii LiFePO4 – jak się kształtuje?

Jednym z wyróżników magazynów energii LiFePO4 w obszarze akumulatorów wykonanych w innych technologiach, jest ich żywotność. W zależności od konfiguracji systemu i poziomu głębokości rozładowania akumulatory te mogą osiągać do 10 000 cykli ładowania i rozładowywania, co stanowi wynik trudny do osiągnięcia dla magazynów energii wykorzystujących inny rodzaj “chemii”. Określone aspekty związane z eksploatacją akumulatora będą te wartości oczywiście różnicować. Wynika to z faktu, że na żywotność magazynów energii wpływają czynniki zewnętrzne, z których znaczenia warto zdawać sobie sprawę. Tym niemniej maksymalna ilość cykli, jakie można uzyskać w całym okresie użytkowania magazynu energii, jest w przypadku technologii LFP obecnie najwyższa.

Akumulator LiFePO4 – ilość cykli; Źródło: kon-tec.eu

Jakie zatem aspekty będą miały znaczenie w kontekście maksymalizacji żywotności magazynów energii LiFePO4? Z pewnością należą do nich takie czynniki, jak:

• Głębokość rozładowania DoD (ang. Depth of Discharge) – jak widać na powyższym wykresie uproszczona zasada mówi, że im niższy procent rozładowywania akumulatora będzie stosowany, tym większą liczbę cykli w całym okresie eksploatacji urządzenia można uzyskać. Zalecenia producentów koncentrują się na tym, aby w bieżącym użytkowaniu rozładowywać magazyn energii do średnio 80%, a raz na jakiś czas zrobić to całkowicie;
• Temperatura, w której pracuje magazyn energii – na to ile energii i jak długo przechowa magazyn energii bezpośredni wpływ ma temperatura, w której funkcjonuje urządzenie. Choć przegrzewanie się magazynów energii LiFePO4 zostało znacznie zredukowane, to praca urządzenia w temperaturach znacznie przekraczających te zalecane przez producenta może uszkodzić akumulator i wpłynąć negatywnie na jego żywotność;
• Napięcie ładowania i rozładowywania – długą żywotność magazyny energii LiFePO4 zawdzięczają między innymi stabilnemu stosunkowo niskiemu napięciu zarówno podczas ładowania jak i rozładowywania akumulatorów (napięcie znamionowe rzędu 3,2 V). Trzeba zatem pamiętać, że zachowanie tego parametru w eksploatacji urządzenia gwarantuje jego efektywną pracę przez wiele cykli ładowania;
• System BMS w magazynie energii – magazyny energii LFP nie są oczywiście wolne od określonych ograniczeń, a jednym z nich (podobnie jak w przypadku innych akumulatorów Li-Ion) jest ryzyko przeładowania lub zbyt głębokiego rozładowania urządzenia. Dlatego bardzo ważnym elementem systemu magazynowania energii, jest moduł BMS (ang. Battery Management System), który będzie monitorował, kontrolował i informował o ewentualnych aspektach działania magazynu, które mogłyby negatywnie wpłynąć na jego bezpieczeństwo lub wydajność.

Ile kosztują magazyny energii LFP?

W opozycji do wielu zalet magazynów energii LFP, podnosi się najczęściej jedną istotną wadę tych urządzeń – ich cenę. Rzeczywiście, nie da się zaprzeczyć temu, że ceny magazynów energii wykonanych w omawianej technologii są zazwyczaj wyższe niż ich alternatyw opartych na innym rodzaju chemii, ale już na przykład w porównaniu z akumulatorami NMC nie wypadają pod tym względem mniej korzystnie. Z czego zatem wynikają ostateczne rozbieżności w cenach magazynów energii różnych technologii? Oczywiście z kosztów związanych z procesami produkcji, dostępności podzespołów, wymaganych certyfikacji i testów, zastosowanych materiałów i designu, ale także z parametrów oferowanych przez daną technologię oraz prestiżu producenta. Czynników tych jest z pewnością znacznie więcej i przy wyborze konkretnego modelu magazynu energii zawsze należy rozważyć stosunek jego ceny do oczekiwań i potrzeb inwestora.

Poniżej zestawiliśmy w celach porównawczych kilka przykładowych modeli magazynów energii LiFePO4 oraz alternatywnych dla nich urządzeń wykonanych w technologii NMC. Dla przejrzystości zestawienia przyjęliśmy magazyny energii 10 kWh lub o zbliżonych pojemnościach. Są to jedne z najczęściej wybieranych akumulatorów przez prywatnych użytkowników w kontekście wielkości systemu.

Magazyn energii LiFePO4 – zalety i wady

Każda technologia obecna na rynku jako jedna z opcji zakupowych, sprawdzana jest w toku konsumenckich wyborów. Ciężko wskazać technologię idealną w branży magazynów energii, gdyż takowa zwyczajnie nie istnieje. Z tego właśnie powodu podejmowane są kolejne próby doskonalenia sposobów przechowywania energii elektrycznej za pomocą technologii akumulatorowej. Wśród licznych zalet podsumowujących cechy i parametry magazynów energii LiFePO4 z pewnością warto wymienić:

Długą żywotność urządzeń w porównaniu do innych technologii;
Zwiększoną odporność na głębokie rozładowania;
Szeroki zakres temperatur pracy i przechowywania;
Stabilny poziom napięcia w procesie ładowania i rozładowywania;
Stabilność termiczną i bezpieczeństwo użytkowania;
Bezkobaltową technologię o zminimalizowanej toksyczności.

W zakres wad magazynów energii LiFePO4 należy zaliczyć takie aspekty, jak:

Stosunkowo wysokie ceny urządzeń;
Niższa gęstość energii niż na przykład w magazynach energii NMC;
Trudności w określeniu stanu naładowania przez płaski wykres napięcia.

Akumulatory wykonane w technologii LiFePO4 doskonale współpracują jako magazyny energii w połączeniu z fotowoltaiką i są bardzo efektywne w instalacjach hybrydowych. Urządzenia tego typu znajdą zatem swoich zwolenników wśród konsumentów o określonych potrzebach, dla których parametry i cechy oferowane przez technologię LFP okażą się kompatybilne z ich oczekiwaniami.