См. рисунок справа: положительный вывод ячейки соединен с алюминиевой фольгой, на которую нанесен слой фосфатной массы, а отрицательный - с медной фольгой, покрытой графитом. Между ними находится сепаратор, пропитанный электролитом.
См. рисунок справа: положительный вывод ячейки соединен с алюминиевой фольгой, на которую нанесен слой фосфатной массы, а отрицательный - с медной фольгой, покрытой графитом. Между ними находится сепаратор, пропитанный электролитом.
При зарядке приложенное внешнее напряжение "вышибает" ионы лития из фосфата LiFePO4; они мигрируют через сепаратор и внедряются в углеродный слой, где и остаются, образуя своеобразную химическую связь (сюда же от внешнего источника тока поступает поток электронов, нейтрализующий ионы).
Когда внешнее напряжение будет снято, между электродами останется разность потенциалов, соответствующая отрыву иона лития от молекулы фосфата. Если теперь соединить электроды нагрузкой, пойдет разрядка аккумулятора: накачанные при зарядке электроны устремятся по внешней цепи к плюсу. Одновременно лишающиеся электронов атомы лития будут превращаться в катионы, которые тоже отправятся в обратный путь, чтобы воссоединиться со своими железофосфатными анионами.
Собственно, вот и все. Остановимся только на голубой полоске. Сепаратор - проницаемый материал на основе полиэтилена или полипропилена, а вот литиевый электролит, который служит переносчиком ионов, довольно экзотический: это раствор тетрафторбората лития LiBF4 в диэтилкарбонате (С2H5)2C=O или другом аналогичном растворителе из числа эфиров угольной кислоты.
Плотность энергии до ~ 540 кДж/кг
Объемная плотность LFP элементов около 2 кг/л
Для примера возьмем LFP ячейку Sunways емкостью 100 Ач.
Ее габариты 168х200х34 мм, масса 2,1 кг. Получаем
запас энергии 100 Ач * 3600 с/ч * 3 В / 1000 = 1080 кДж
плотность энергии 1080 / 2,1 = 514 кДж/кг
объемная плотность 2,1 / (1,68 * 2 * 0,34) = 1,84 кг/л
Приведем выдержку из письма председателя американского комитета по яхтенным стандартам ABYC от 30.09.2022:
Технический отдел ABYC при участии представителей отрасли воссоздал ряд сценариев на основе историй несчастных случаев, в которых утверждалось, что причиной пожара были батареи LFP. Испытывались как специально предназначенные для морской среды качественные батареи с надежными системами управления (BMS), так и батареи, доступные в массовых розничных магазинах, без четких инструкций от производителя и снабженные вмешней BMS.В ходе испытаний батареи подвергались условиям от нормальной эксплуатации до экстремального использования и нарушений правил безопасности. Происходило вздутие ячеек, полный разряд и множество срабатываний систем защиты, если они не были шунтированы. Ни в одном случае добиться воспламенения не удалось.
...Более того, при пожарных испытаниях, когда батареи помещали прямо в огонь, не было обнаружено признаков, что батареи способствовали пожару.
Таким образом, весьма авторитетный источник подтверждает пожаробезопасность LFP аккумуляторов.
Но все-таки...
Проведем сугубо нештатный, но не такой уж невероятный эксперимент. Конечно, лучше мысленный.
При каких-то работах в тесных и неудобных лодочных условиях на 12-вольтовую сборку 100 Ач из четырех LFP ячеек падает... например, гаечный ключ. Или кривые ручки опрокидывают коробку с крепежом, болты и гайки сыпятся вниз и замыкают накоротко ячейки батареи помимо всех имеющихся защитных устройств и предохранителей.
В нескольких местах вспыхивает дуга, металлические детали раскаляются... Чтобы расплавить 200 г железа, требуется около 200 кДж - в 5 раз меньше, чем содержит только одна полностью заряженная ячейка!
Что при этом произойдет с самой батареей, определенно сказать нельзя, кроме того, что она выйдет из строя. Если очень грубо принять среднюю теплоемкость материалов ячейки за 1 Дж/г*К, ячейка теоретически могла бы "разогреть сама себя" на 500 градусов. Вероятно, из-за внутреннего разрушения слоев не вся энергия выделится как джоулево тепло, но начнется окисление литий-углеродной массы, испарение, а возможно и возгорание органики эдектролита. Хотя сами по себе LFP батареи выдерживают без загорания "перфорационный тест", т.е. пробивание гвоздем, при внешнем замыкании загорание очень вероятно.
Хорошая новость в том, что для предупреждения такой аварии достаточно закрытой крышки и/или изолирующего покрытия открытых контактов ячеек.
Есть и плохая - поскольку электролит LFP содержит соединение фтора, при сильном нагреве (в том числе без появления открытого огня) какая-то его часть будет улетучиваться в виде весьмв токсичного HF (трифторид бора при реакции с влагой также гидролизуется с выделением HF). Органика и графит дадут и окись углерода - в общем, и без пожара коктейль при задымлении в результате аварии батареи - не для вдыхания.
Так что, когда имеете дело с "высокоэнергетическим" хозяйством (будь то батарея любого типа, газ или бензин) - всегда будьте аккуратны!