დღეს, არსებობს დიდი რაოდენობით ბატარეები სხვადასხვა ტიპის ქიმიით. დღეს ყველაზე პოპულარული ბატარეები არის ლითიუმ-იონური. ამ ჯგუფში ასევე შედის ლითიუმ-რკინა-ფოსფატის (ფეროფოსფატის) ბატარეები. მიუხედავად იმისა, რომ ამ კატეგორიის ყველა ბატარეა ძირითადად მსგავსია ტექნიკური მახასიათებლებით, ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეებს აქვთ საკუთარი უნიკალური თვისებები, რომლებიც განასხვავებენ მათ ლითიუმ-იონური ტექნოლოგიის გამოყენებით დამზადებული სხვა ბატარეებისგან.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეის აღმოჩენის ამბავი
LiFePO4 ბატარეის გამომგონებელი არის ჯონ გუდენაუ, რომელიც მუშაობდა 1996 წელს ტეხასის უნივერსიტეტში ლითიუმ-იონური ბატარეების ახალ კათოდის მასალაზე. პროფესორმა მოახერხა ისეთი მასალის შექმნა, რომელიც უფრო იაფია, აქვს ნაკლები ტოქსიკურობა და მაღალი თერმული სტაბილურობა. ბატარეის ნაკლოვანებებს შორის, რომელიც იყენებდა ახალ კათოდს, იყო დაბალი ტევადობა.
არავინ დაინტერესებულა ჯონ გუდენაუს გამოგონებით, მაგრამ 2003 წელს A 123 Systems-მა გადაწყვიტა შეემუშავებინა ეს ტექნოლოგია, მიიჩნია ის საკმაოდ პერსპექტიული. ბევრი მსხვილი კორპორაცია გახდა ამ ტექნოლოგიის ინვესტორი - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
LiFePO4 ბატარეების მახასიათებლები
ფეროფოსფატის ბატარეის ძაბვა იგივეა, რაც სხვა ლითიუმ-იონური ტექნოლოგიის ბატარეების. ნომინალური ძაბვა დამოკიდებულია ბატარეის ზომებზე (ზომა, ფორმის ფაქტორი). 18 650 ბატარეებისთვის ეს არის 3.7 ვოლტი, 10 440 (პატარა თითებისთვის) - 3.2, 24 330 - 3.6.
თითქმის ყველა ბატარეისთვის, ძაბვა თანდათან ეცემა განმუხტვის დროს. ერთ-ერთი უნიკალური თვისებაა ძაბვის სტაბილურობა LiFePO4 ბატარეებთან მუშაობისას. ნიკელის ტექნოლოგიით დამზადებულ ბატარეებს (ნიკელ-კადმიუმი, ნიკელ-მეტალის ჰიდრიდი) აქვთ მსგავსი ძაბვის მახასიათებლები.
ზომიდან გამომდინარე, ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეას შეუძლია მიაწოდოს 3.0-დან 3.2 ვოლტამდე სრულ დაცლამდე. ეს თვისება უფრო მეტ უპირატესობას ანიჭებს ამ ბატარეებს სქემებში გამოყენებისას, რადგან ის პრაქტიკულად გამორიცხავს ძაბვის რეგულირების საჭიროებას.
სრული გამონადენის ძაბვა არის 2.0 ვოლტი, ლითიუმის ტექნოლოგიის ნებისმიერი ბატარეის ყველაზე დაბალი დაფიქსირებული გამონადენის ზღვარი. ეს ბატარეები ლიდერები არიანმომსახურების ვადა, რომელიც უდრის 2000 ციკლს დამუხტვისა და განმუხტვისთვის. მათი ქიმიური სტრუქტურის უსაფრთხოების გამო, LiFePO4 ბატარეების დამუხტვა შესაძლებელია სპეციალური აჩქარებული დელტა V მეთოდით, როდესაც ბატარეაზე დიდი დენი მიემართება.
ბევრი ბატარეა ვერ უძლებს დატენვის ამ მეთოდს, რაც იწვევს მათ გადახურებას და გაფუჭებას. ლითიუმ-რკინა-ფოსფატის ბატარეების შემთხვევაში ამ მეთოდის გამოყენება არა მხოლოდ შესაძლებელია, არამედ რეკომენდებულიც კი. ამიტომ, არსებობს სპეციალური დამტენები სპეციალურად ასეთი ბატარეების დასატენად. რა თქმა უნდა, ასეთი დამტენები არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ქიმიურ ბატარეებზე. ფორმის ფაქტორიდან გამომდინარე, ამ დამტენებზე ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეები სრულად დატენილია 15-30 წუთში.
LiFePO4 ბატარეების სფეროში უახლესი განვითარება მომხმარებელს სთავაზობს ბატარეებს გაუმჯობესებული ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონით. თუ ლითიუმ-იონური ბატარეების მუშაობის სტანდარტული დიაპაზონი არის -20-დან +20 გრადუს ცელსიუსამდე, მაშინ ლითიუმ-რკინის ფოსფატის ბატარეები სრულყოფილად მუშაობენ -30-დან +55-მდე დიაპაზონში. ბატარეის დატენვა ან დატენვა აღწერილზე ზემოთ ან ქვემოთ ტემპერატურაზე სერიოზულად დააზიანებს ბატარეას.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეებზე გაცილებით ნაკლებად მოქმედებს დაბერების ეფექტი, ვიდრე სხვა ლითიუმ-იონური ბატარეები. დაბერება არის სიმძლავრის ბუნებრივი დაკარგვა დროთა განმავლობაში, რომელიც არ არის დამოკიდებული ბატარეის გამოყენებაზე თუარის თაროზე. შედარებისთვის, ყველა ლითიუმ-იონური ბატარეა ყოველწლიურად კარგავს დაახლოებით 10% სიმძლავრეს. ლითიუმის რკინის ფოსფატი კარგავს მხოლოდ 1,5%.
ამ ბატარეების მინუსი არის დაბალი ტევადობა, რაც 14%-ით ნაკლებია (ანუ სხვა ლითიუმ-იონური ბატარეების შედარებით).
ფეროფოსფატის ბატარეის უსაფრთხოება
ამ ტიპის ბატარეები ითვლება ერთ-ერთ ყველაზე უსაფრთხოდ ყველა არსებული ტიპის ბატარეებს შორის. LiFePO4 ლითიუმ-ფოსფატის ბატარეებს აქვთ ძალიან სტაბილური ქიმია და კარგად უძლებენ მძიმე დატვირთვას გამონადენის (დაბალი წინააღმდეგობის მუშაობისას) და დამუხტვის დროს (ბატარეის მაღალი დენებით დამუხტვისას).
იმის გამო, რომ ფოსფატები ქიმიურად უსაფრთხოა, ამ ბატარეების განადგურება უფრო ადვილია მას შემდეგ, რაც ისინი შეიმუშავებენ თავიანთ რესურსს. სახიფათო ქიმიის მქონე ბევრ ბატარეას (როგორიცაა ლითიუმ-კობალტი) უნდა გაიაროს დამატებითი გადამუშავების პროცესი, რათა აღმოიფხვრას მათი გარემოსდაცვითი საფრთხე.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეების დამუხტვა
ინვესტორების კომერციული ინტერესის ერთ-ერთი მიზეზი ფეროფოსფატის ქიმიის მიმართ იყო სწრაფი დატენვის შესაძლებლობა, რაც გამოწვეული იყო მისი სტაბილურობით. LiFePO4 ბატარეების კონვეიერის გამოშვების ორგანიზებისთანავე, ისინი განლაგდნენ, როგორც ბატარეები, რომელთა სწრაფად დამუხტვაც შესაძლებელია.
ამ მიზნით დამზადდა სპეციალური დამტენები. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ასეთი დამტენები არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ბატარეებზე, რადგან ეს გამოიწვევს მათ გადახურებას და დიდ დაზიანებასმათ.
ამ ბატარეების სპეციალურ დამტენს შეუძლია მათი დამუხტვა 12-15 წუთში. ფეროფოსფატის ბატარეების დამუხტვა შესაძლებელია ჩვეულებრივი დამტენებითაც. ასევე არსებობს დამტენის კომბინირებული ვარიანტები დატენვის ორივე რეჟიმით. საუკეთესო ვარიანტი, რა თქმა უნდა, იქნება ჭკვიანი დამტენების გამოყენება მრავალი ვარიანტით დატენვის პროცესის გასაკონტროლებლად.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეის მოწყობილობა
ლითიუმ-რკინა-ფოსფატი LiFePO4 ბატარეას არ გააჩნია რაიმე განსაკუთრებული მახასიათებლები შიდა სტრუქტურაში ქიმიურ ტექნოლოგიაში მის კოლეგებთან შედარებით. ცვლილება განიცადა მხოლოდ ერთმა ელემენტმა - რკინის ფოსფატისგან დამზადებული კათოდი. ანოდის მასალა არის ლითიუმი (ყველა ლითიუმ-იონის ბატარეას აქვს ლითიუმის ანოდი).
ნებისმიერი ბატარეის მოქმედება ეფუძნება ქიმიური რეაქციის შექცევადობას. წინააღმდეგ შემთხვევაში, ბატარეის შიგნით მიმდინარე პროცესებს ეწოდება ჟანგვის და შემცირების პროცესები. ნებისმიერი ბატარეა შედგება ელექტროდებისგან - კათოდი (მინუს) და ანოდი (პლუს). ასევე, ნებისმიერი ბატარეის შიგნით არის გამყოფი - სპეციალური სითხით - ელექტროლიტით გაჟღენთილი ფოროვანი მასალა.
როდესაც ბატარეა დაცლილია, ლითიუმის იონები გამყოფის გავლით მოძრაობენ კათოდიდან ანოდამდე, გამოყოფენ დაგროვილ მუხტს (დაჟანგვას). ბატარეის დამუხტვისას ლითიუმის იონები ანოდიდან კათოდის საპირისპირო მიმართულებით მოძრაობენ, აგროვებენ მუხტს (აღადგენს).
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეების სახეები
ამ ქიმიის ყველა ტიპის ბატარეა შეიძლება დაიყოს ოთხ კატეგორიად:
- შესრულებულიაბატარეა.
- დიდი უჯრედები პარალელეპიპედების სახით.
- პატარა უჯრედები პარალელეპიპედების სახით (პრიზმები - LiFePO4 ბატარეები 3.2 ვ).
- მონეტის პატარა უჯრედები (პაკეტები).
- ცილინდრული ბატარეები.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეებსა და უჯრედებს შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული ნომინალური ძაბვა 12-დან 60 ვოლტამდე. ისინი აჯობებენ ტრადიციულ ტყვიმჟავას ბატარეებს მრავალი თვალსაზრისით: ციკლის დრო გაცილებით მაღალია, წონა რამდენჯერმე დაბალია და ისინი რამდენჯერმე უფრო სწრაფად იტენება.
ცილინდრული ბატარეები ამ ქიმიაში გამოიყენება როგორც ცალკე, ისე ჯაჭვში. ამ ცილინდრული ბატარეების ზომები ძალიან განსხვავებულია: 14500-დან (თითის ტიპი) 32650-მდე.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეები
განსაკუთრებულ ყურადღებას იმსახურებს ფეროფოსფატის ბატარეები ველოსიპედებისა და ელექტრო ციკლებისთვის. ახალი რკინა-ფოსფატის კათოდის გამოგონებით, ამ ქიმიაზე დაფუძნებულ სხვა ტიპის ბატარეებთან ერთად, გამოვიდა სპეციალური ბატარეები, რომლებიც გაუმჯობესებული მახასიათებლებისა და მსუბუქი წონის გამო, მოხერხებულად გამოიყენება ჩვეულებრივ ველოსიპედებზეც კი. ასეთმა ბატარეებმა მაშინვე მოიპოვეს პოპულარობა ველოსიპედის განახლების მოყვარულთა შორის.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეებს შეუძლიათ უზრუნველყონ რამდენიმე საათის უყურადღებო ველოსიპედით მოძრაობა, რაც ღირსეული კონკურენციაა შიდა წვის ძრავებისთვის, რომლებიც ასევე ხშირად დაყენებული იყო ველოსიპედებზე წარსულში. როგორც წესი, მონაცემებისთვისმიზნებისთვის გამოიყენება 48v LiFePO4 ბატარეები, მაგრამ შესაძლებელია 25, 36 და 60 ვოლტის ბატარეების შეძენა.
ფეროფოსფატის ბატარეების გამოყენება
ბატარეების როლი ამ ქიმიაში აშკარაა კომენტარის გარეშე. პრიზები გამოიყენება სხვადასხვა დანიშნულებით - LiFePO4 3, 2 ვ ბატარეები. უფრო დიდი უჯრედები გამოიყენება როგორც ბუფერული სისტემების ელემენტები მზის ენერგიისა და ქარის ტურბინებისთვის. ფეროფოსფატის ბატარეები აქტიურად გამოიყენება ელექტრო მანქანების მშენებლობაში.
პატარა ბრტყელი ბატარეები გამოიყენება ტელეფონებისთვის, ლეპტოპებისთვის და პლანშეტური კომპიუტერებისთვის. სხვადასხვა ფორმის ფაქტორების ცილინდრული ბატარეები გამოიყენება airsoft იარაღისთვის, ელექტრონული სიგარეტისთვის, რადიომართვადი მოდელებისთვის და ა.შ.
