Литиевый стартерный аккумулятор на автомобиле вместо свинцово-кислотного - есть ли в этом смысл

Литиевые аккумуляторы уже прочно обосновались во многих технических сферах, так или иначе связанных с автономностью электропитания. Они уже давно вытеснили никель-кадмиевые, никель-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. За время своего развития литиевые аккумуляторы избавились практически от всех имевшихся у них ранее недостатков.

Перечислять где они используются, будет бессмысленно, настолько глобально их распространение. Но все же, в нише автомобильных стартерных аккумуляторов вытеснить свинцово-кислотные аккумуляторы им не удается до сих пор. Несмотря, на то, что их максимальная токоотдача, которая раньше была камнем преткновения и не достигала необходимых значений стартерных токов, теперь в некоторых типах аккумуляторов, полностью удовлетворяет потребностям стартеров. 

Так почему бы тогда не использовать такие литиевые аккумуляторы в качестве стартерных? Тем более, что сейчас существуют типы аккумуляторов, набирая которые в аккумуляторные батареи, можно получить напряжение, очень близкое со свинцово-кислотными батареями.

 Как устроен и работает литиевый аккумулятор

Сначала буквально в нескольких словах об устройстве и принципе работы литиевого аккумулятора. Конструктивно он состоит из двух электродов, положительного (катода) и отрицательного (анода). 

Анод состоит из медной несущей ленты, на которую нанесен пористый графит. В его порах накапливаются ионы лития и электроны при заряде. В химических реакциях графит не участвует. Медная лента является лишь проводником электронов между графитом и клеммой аккумулятора. 

Катод состоит из алюминиевой фольги, на которую нанесен оксид лития. Она является также только проводником электронов между оксидом лития и клеммой, а также его несущей поверхностью. 

В слой оксида лития производители добавляют различные химические элементы в разных вариациях. Это позволяет добиться значительных изменений характеристик литиевых аккумуляторов.

Между электродами размещается сепаратор пропитанный электролитом из органической соли лития. Сепаратор не дает физически соприкасаться между собой катоду и аноду, изолируя их, друг от друга. А вместе с электролитом он не пропускает через себя электроны и с легкостью пропускает ионы лития.

Получившийся слоеный пирог помещается в герметичный корпус.

Литий является химически активным элементом, он с легкостью может отдавать свои электроны, благодаря чему с легкостью вступает в химические реакции с другими элементами. Это уникальное его свойство и заложено в принцип работы литиевых аккумуляторов.

В процессе заряда внешний источник питания с легкостью отрывает электроны от атомов лития и «перекачивает» их из положительного в отрицательный электрод. Там они накапливаются в графитовом слое. Одновременно с этим ионы лития, лишившиеся электронов, через сепаратор и электролит перемещаются туда же. Таким образом, при заряде на отрицательном электроде создается избыток электронов, у которых есть очень большое желание вернуться назад. 

 Если вместо внешнего источника питания подключить к клеммам нагрузку, то электроны с большой радостью начнут перемещаться на свое прежнее место обитания, в оксидный слой положительного электрода. Создавая во внешней цепи электрический ток, разряжая при этом аккумулятор. Туда же из графитового слоя спешат переместиться и ионы лития, где они встречаются со своими электронами и захватывают их. 

Какие типы литиевых аккумуляторов существуют, и какой из них лучше всего подходит в качестве стартерных

Всего существует порядка шести основных типов литиевых аккумуляторов. Различаются они между собой материалом, используемым в их катодах. Катодный материал имеет сложные химические соединения различных веществ, которые кроме лития не повторяются в разных типах аккумуляторов. Названия аккумуляторов соответствуют веществу, которое используется в их катодах, и перечислено на изображении ниже.

Эксплуатационные характеристики разных типов аккумуляторов довольно сильно отличаются друг от друга. Это и номинальное напряжение аккумуляторных ячеек, энергоемкость на единицу веса, максимальный разрядный и зарядный ток, количество циклов заряд-разряд, рабочие температуры. Поэтому для каждого типа аккумулятора подходит только свой, определенный сценарий эксплуатации. 

Подробно рассматривать все типы здесь не будем, так это тема уже другой статьи. Рассмотрим только один тип литиевого аккумулятора, наиболее подходящий для замены стартерного свинцово-кислотного аккумулятора. 

Это литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор. Он по многим параметрам удовлетворят требованиям, предъявляемым к свинцово-кислотным аккумуляторам, а по некоторым даже значительно превосходит. Вот его и рассмотрим подробнее.

Чем так хорош литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор

1. Напряжение одной его заряженной ячейки составляет 3,2В. Что позволяет путем последовательного соединения четырех таких литиевых ячеек получить 12,8В. Тогда как напряжение заряженной стартерной свинцово-кислотной батареи, состоящей из шести банок, составляет 12,7В. Таким образом напряжение литиевой батареи практически точно соответствует свинцово-кислотной. 

Аккумуляторная батарея из 4-х литий-железно-фосфатных ячеек

Напряжения же ячеек других типов литиевых аккумуляторов значительно отличаются от рассматриваемой нами, что и близко не позволяет сформировать необходимое нам напряжение 12,8В.

Максимально допустимое значение напряжения литий-железо-фосфатной ячейки составляет 3,6В, что в пересчете на четырех ячеечную батарею дает 14,4В. Что опять же соответствует максимальному напряжению свинцово-кислотной батареи, составляющей те же 14,4В. Здесь следует отметить, что это максимальное напряжение возникает при зарядке батареи от генератора автомобиля, и это штатный режим.

2. Максимальный разрядный ток литий-железо-фосфатной ячейки очень и очень достойный, и является самым большим из всех типов литиевых аккумуляторов. Его значение достигает 25С. Где «С» – это емкость аккумулятора. То есть, если емкость аккумулятора 30А*ч, то разрядный ток составит 25 х 30=750 А. Что даже лучше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Например, у свинцово-кислотной батареи известной компании BOSCH, емкостью 70А*ч максимальный ток составляет 760 А, который по отношению к емкости будет иметь значение в 11С. 

Свинцово-кислотный аккумулятор BOSCH c максимальным током 760 А

Все остальные литиевые собратья имеют на порядок меньшие разрядные токи, из них лишь только литий-титанатный (Li4Ti5O12) может похвастаться значением в 10С.

3. Максимальный зарядный ток составляет 1С, и не является лучшим в своем семействе. Есть типы как с большим током зарядки, до 5С у литий-титанатных (Li4Ti5O12) аккумуляторов, так и с меньшим током. Но он будет вполне достаточным при емкости батареи, например в 70А*ч для легкового автомобиля. При такой емкости батарея без каких-либо негативных последствий сможет потреблять ток до 70А от генератора автомобиля, который будет генерировать его в этих пределах.

4. Ресурс литий-железо-фосфатных аккумуляторов значительно выше, чем у свинцово-кислотных. Измеряется он в количестве циклов заряд-разряд. И составляет порядка 2000 циклов, против 400-500 у свинцово-кислотных. То есть один такой литиевый аккумулятор переживет замену 4-5 свинцово-кислотных. 

Сравнение свинцово-кислотного и литий-железо-фосфатного аккумуляторов

Но следует отметить, что он обладает не самым высоким ресурсом среди своих собратьев. Например, литий-титанатный (Li4Ti5O12) аккумулятор обладает ресурсом до 7000 циклов, а литий-никель-кобальт-алюминиевый (LiHiCoAlO2) способен отработать лишь скромные 500 циклов.

5. Вес такой железо-фосфатной батареи при одинаковой емкости и одинаковом напряжении со свинцово-кислотной батареей в несколько раз меньше. Меньше и объем.

 Что препятствует использованию литиевых аккумуляторов в качестве стартерных

Ну если так все хорошо, то почему бы не поменять на своем автомобиле свинцово-кислотный аккумулятор на литий-железо-фосфатный. Но не все так просто. Такой прямой замене мешает несколько причин.

1. У них разный принцип работы, выражающийся кроме всего прочего и в разных профилях заряда и разряда. Напряжения, соответствующие тому или иному проценту их заряда, все равно будут, хоть и незначительно, но все же отличаться. А электроника машины как раз по напряжению на клеммах аккумулятора и будет определять степень его заряда, используя для этого профиль свинцово-кислотного аккумулятора. И если просто поставить в такой автомобиль литиевый аккумулятор, то электроника машины будет неправильно оценивать степень его заряда, что приведет к постоянному перезаряду или недозаряду. А литиевые аккумуляторы нуждаются в более точном контроле заряда, чем свинцово-кислотные. Они боятся «перекоса» уровня заряда между последовательно соединенными ячейками в батарее. Боятся перезаряда и глубокого разряда. Все это приводит к их преждевременному выходу из строя. Чтобы такого не происходило, каждая литиевая ячейка подключается к специальной плате BMS, которая индивидуально контролирует и корректирует уровень заряда каждой из них. Предохраняя от перезаряда и глубокого разряда, путем отключения от внешней цепи. А это уже достаточно сложная и нежная электроника внутри аккумулятора, которая совсем не увеличивает его надежность.

Плата BMS во вскрытой литий-железо-фосфатной аккумуляторной батарее

Свинцово-кислотным батареям плата BMS не нужна, они не боятся перезарядки и не нуждаются в выравнивании заряда между банками, это их большой плюс. Их простота конструкции, это надежность и безопасность.

Китайский производитель "LITJET" стартерных литий-железо-фосфатных аккумуляторов утверждает, что их аккумуляторы можно без проблем устанавливать в автомобили вместо свинцово-кислотных, без каких-либо дополнительных настроек и регулировок электрооборудования автомобиля. Что их чудо плата BMS запрограммирована должным образом и позволяет нивелировать вышеперечисленные несоответствия параметров со свинцово-кислотными аккумуляторами. 

2. Ограничение работоспособности при низких температурах. Собственно, это главная проблема литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Отдавать энергию потребителю они могут при температуре вплоть до -30^оС, теряя при этом до половины в емкости. При такой температуре и свинцово-кислотному аккумулятору придется очень туго, он потеряет больше половины своей емкости. Так что в режиме разряда, можно сказать, что у них паритет. 

Но вот с режимом заряда у этого лития совсем все плохо. Эти аккумуляторы категорически нельзя заряжать при температуре ниже 0^оС. Если вы, обойдя защиту платы BMS, все же будете заряжать литиевую ячейку при отрицательных температурах, то выведите её из строя. Её неспособность принимать заряд при низких температурах, заключается в сильном замедлении химических процессов, которое выражается в сильном замедлении проникновения ионов лития в поры графитового слоя при зарядке. В результате чего они скапливаются на поверхности графита, где встречаясь с электронами («перекачиваемыми» внешним источником тока из катода), превращаются в металлический литий. Он навсегда остается там, и более не принимает участия в процессах заряда-разряда, неизбежно снижая емкость ячеек при каждой такой «неправильной» зарядке. Несколько раз так зарядил, и выкинул аккумулятор.

Но все тот же производитель "LITJET" стартерных литий-железо-фосфатных аккумуляторов заявляет, что и эта проблема практически решена в их аккумуляторах. После того как двигатель автомобиля заведется и генератор начнет генерировать электрический ток, плата BMS заблокирует заряд ячеек при опасно низких температурах. Одновременно с этим она подключит встроенные в аккумулятор нагреватели к генератору, и лишь только после нагрева литиевых ячеек до необходимой температуры, начнет процесс их зарядки. 

Высокотехнологичный нагревательный элемент внутри аккумуляторной батареи

Получается, что этот Франкенштейн кроме опасных литиевых ячеек, платы BMS (через которую проходят высокие пусковые токи), содержит еще и нагревательные элементы, непосредственно располагающиеся на этих самых литиевых ячейках. Их толщина, как у листа бумаги, а ценовая категория супер-эконом, с соответствующей надежностью. Это для чего сделано, чтобы гарантированно жизненный цикл такого аккумулятора заканчивался самоуничтожением путем самовозгорания?

3. Большая цена. За цену одного литий-железо-фосфатного аккумулятора можно приобрести пять свинцово-кислотных. Причем сумма их циклов заряд-разряд перекроет ресурс литиевого.

Сравнение цен литий-железо-фосфатного и свинцово-кислотного аккумуляторных батарей

 Заключение

Я бы не стал в свой автомобиль устанавливать такую бомбу замедленного действия в виде литий-железо-фосфатного аккумулятора. Увиденные мною его внутренние хлипкие токоведущие части и не внушающие доверия «нанонагреватели» только лишний раз убеждают меня в этом. Я лучше за эти деньги сменю пять свинцово-кислотных аккумуляторов, которые будут гораздо безопаснее. И не посмотрю на то, что некоторые именитые автопроизводители, для демонстрации целесообразности использования в автомобилях стартерных литиевых аккумуляторов, устанавливают их в свои серийные автомобили. Например, в автомобили McLaren (570S, 650S), Mersedes S-klasse (W221, W222), BMW (M3, M4) и некоторые другие. 

Пишите в комментариях, рискнете ли вы установить в свой автомобиль литиевый стартерный аккумулятор, если представится такая возможность. А если он у вас уже установлен, то, какие впечатления от его использования.