Види акумуляторів для автономної системи

Для автономної системи важливо вибрати акумулятор, який забезпечить надійність, довговічність та достатню ємність для ваших потреб. Ось основні варіанти акумуляторів, які присутні на українському ринку:

Розгляньмо їх детальніше.

Літієві акумулятори

Літій-залізо-фосфат (LiFePO4)

LiFePO4 — це тип літієвого акумулятора, де використовується літій-залізо-фосфат як катодний матеріал.

• Катод: LiFePO4 (літій-залізо-фосфат).
• Анод: Вуглецевий (графіт).
• Електроліт: Літієва соль у вигляді рідини.

Його хімічна структура робить батарею більш стабільною, ніж літій-іонні акумулятори, що використовують нікель або кобальт.

Енергія зберігається через перенесення іонів літію між анодом і катодом:

• Під час заряду: Іони літію рухаються від катоду до аноду.
• Під час розряду: Іони повертаються в катод, генеруючи електричний струм.

Структура фосфату забезпечує стабільність і високу безпечність навіть при глибоких розрядах і високих температурах.

Переваги LiFePO4

1. Довговічність. Термін служби становить 3000–6000 циклів при глибоких розрядах, тобто вони можуть працювати 10–15 років залежно від умов використання.
2. Безпечність. Ліфіпо стійкі до перегріву, механічних пошкоджень і коротких замикань. Не виділяють токсичних газів і майже не займаються навіть при серйозних пошкодженнях.
3. Енергоефективність. ККД зарядки-розрядки >95%, що значить мінімальні втрати енергії навіть при високих струмах.
4. Температурна стійкість. Працюють при температурах від -20°C до +60°C. Не перегріваються і не втрачають ємність на морозі так швидко, як Li-ion.
5. Швидка зарядка. Можуть заряджатися струмами до 1С, тобто набирати повну ємність за 1 годину, якщо решта обладнання може це забезпечити.

Недоліки

1. Вища початкова ціна. Вартість покупки значно вища, ніж у гелевих чи свинцево-кислотних акумуляторів. Однак за рахунок довгого терміну служби ці батареї окупаються в перспективі.
2. Менша енергощільність, ніж у Li-ion. Порівняно з традиційними літій-іонними батареями, щільність енергії LiFePO4 дещо нижча (90–160 Вт·год/кг проти 180–250 Вт·год/кг у Li-ion). Тобто, батарея на 1 кВт ліфіпо буде важити більше, ніж 1 кВт батарея літій-іон.
3. Чутливість до низьких температур при зарядці. При -10°C і нижче зарядка стає повільнішою. У таких випадках потрібне додаткове утеплення або обігрів.

Загалом, LiFePO4 використовують для запасання енергії у джерелах безперебійного живлення, сонячних установках та енергозберігаючих рішеннях для побуту. Також деякі виробники електрокарів використовують батареї ліфіпо. Хоч і трохи важчі, вони дешевші в обслуговуванні та довгостроковому використанні.

Літій-іон (Li-ion)

Літій-іонні (Li-ion) акумулятори — це тип акумулятора, який використовують у пристроях, котрі потребують максимальної енергоємності у компактному форматі (наприклад, для смартфонів, ноутбуків, електрокарів тощо)

• Електроди:
  • Катод: Металеві оксиди (звичайно на основі кобальту, нікелю, мангану).
  • Анод: Вуглець (графіт).
• Електроліт: Літієва соль у рідкому або гелеподібному розчині.
• Принцип роботи:
  • Під час заряду літієві іони переміщаються з катода до анода.
  • Під час розряду іони повертаються в катод, створюючи електричний струм.

Висока енергощільність досягається завдяки здатності літієвих іонів до ефективного транспортування енергії при малих розмірах батареї.

Переваги

1. Висока енергощільність — 180–250 Вт·год/кг. Це одна з найвищих серед усіх типів акумуляторів, яка забезпечує компактність і легкість пристроїв на такому акумуляторі.
2. Швидка зарядка. Підтримують швидкі зарядні струми (залежно від моделі), можуть заряджатися до 80% за 30–60 хвилин із використанням сучасних зарядних станцій.
3. Термін служби. 500–1500 циклів (глибокий розряд до 80%). Залежно від умов експлуатації, можуть служити 3–10 років.
4. Мінімальний саморозряд. Втрачають лише 2–3% заряду на місяць, що дозволяє зберігати їх довго в зарядженому стані.
5. Енергоефективність. ККД зарядки/розрядки ~90–95%.

Недоліки

1. Чутливість до умов експлуатації. Перегрівання може спричинити деградацію або навіть займання (ефект теплової втечі). 
2. Термін служби обмежений кількістю циклів. Хоча вони довговічніші за свинцево-кислотні батареї, поступаються за цим показником LiFePO4 (3000–6000 циклів). Не рекомендується розряджати нижче 10% або заряджати до 100% для продовження терміну служби.
3. Чутливість до низьких температур. При -10°C і нижче можуть втрачати до 30–50% продуктивності.
4. Потенційна небезпека. У разі механічних пошкоджень або неправильного заряджання можливе коротке замикання та займання. 

Отже, літій-іонні акумулятори використовують в компактній техніці: смартфонах, ноутбуках, пилососах, електроінструментах, дронах тощо. Також літій-іон використовують в електрокарах. Завдяки високій енергощільності вони добре підходять для накопичення і переміщення заряду, проте необхідні умови експлуатації роблять цей вид акумуляторів неоптимальним для систем резервного живлення.  

Гелеві акумулятори (GEL)

Гелеві акумулятори (GEL) — це свинцево-кислотні акумулятори, в яких електроліт (суміш води й сірчаної кислоти) перебуває в стані густого гелю. Це не має жодного стосунку до гелію.

Електроліт у таких акумуляторах загущений за допомогою діоксиду кремнію, що перетворює рідину на гель. Цей гель стабільно утримується між свинцевими пластинами, що дає певні переваги.

Переваги

1. Стійкість до глибоких розрядів. Гелеві акумулятори можуть тривалий час працювати на низькому заряді без серйозної шкоди для терміну служби.
2. Не виділяють газів. Завдяки гелю і герметичній конструкції, вони безпечніші для використання в приміщеннях.
3. Ціна. Гелеві акумулятори значно дешевші за літій-іонні та ліфіпо.
4. Стійкість до вібрацій та температурних перепадів. Це робить їх ідеальними для складних умов.
5. Термін служби. GEL випрацьовують 500–1500 циклів, на рівні з літій-йонними акумуляторами, хоч і значно менше за LiFePO4.

Недоліки

Швидкість заряду. Сила струму при заряді має бути не більше 10% від ємності акумулятора. Отже, час заряду складе щонайменше 10 годин (в найоптимальніших умовах). На жаль в умовах стабілізаційних відключень розраховувати на таку тривалу наявність світла в мережі не доводиться. Тому цей варіант, дешевий та надійний, не є оптимальним для українських умов експлуатації. 

Гелеві акумулятори — хороший варіант для автономної системи, яку використовують зрідка. Це рішення з гарною надійністю та дешевше за літій. Проте для системи, яка повинна підтримувати домогосподарство кожен день, краще обрати літієві акумулятори.

Свинцево-кислоні акумулятори

Свинцево-кислотний акумулятор працює завдяки хімічній реакції між свинцевими пластинами та електролітом, який складається зі сірчаної кислоти та води. Під час розряду негативна свинцева пластина (Pb) окислюється, утворюючи сульфат свинцю (PbSO₄), а позитивна пластина, виготовлена з діоксиду свинцю (PbO₂), взаємодіє з електролітом, також утворюючи PbSO₄. У цьому процесі електрони рухаються зовнішнім колом, генеруючи електричний струм. При зарядці струм зворотньо відновлює вихідні матеріали, перетворюючи PbSO₄ у Pb і PbO₂, що дозволяє акумулятору знову накопичувати енергію.

Переваги AGM-акумуляторів

1. Стійкість. Завдяки конструкції вони краще витримують вібрації та механічні удари, ніж традиційні свинцеві акумулятори.
2. Глибокий розряд. Можуть витримувати розряди до 50–70% без серйозного зниження ресурсу (хоча це нижче, ніж у літієвих).
3. Доступність. Вартість нижча, ніж у літієвих та гелевих акумуляторів.

Окремо слід відзначити здатність видавати високі стартові струми — це може бути корисно в певних ситуаціях, але не для побутової автономної установки.

Недоліки 

1. Термін служби. В середньому 3–5 років або 300–800 циклів (залежно від глибини розряду).
2. Втрата ємності при глибоких розрядах. Якщо розряджати регулярно нижче 50%, ресурс значно зменшується.
3. Чутливість до температур. Оптимальна температура роботи: +15°C до +25°C, перегрівання знижує термін служби.
4. Енергоефективність. ККД заряду-розряду близько 70–85%, що нижче, ніж у літієвих (95%) та гелевих (90%).
5. Обмежена швидкість заряду. Максимальний зарядний струм – 10–30% від ємності акумулятора. Наприклад, для 100 А·год – це 10–30 А, тож повний заряд може займати 6–8 годин.

Свинцево-кислотні акумулятори підходять для установок, де потрібні компактність і високі короткотривалі токи. Вони чудово виконують свою роль як акумулятори в авто чи мотоциклах, тож на цій ролі їх і залиште. Для автономних побутових систем в сучасних українських умовах свинцево-кислотні акумулятори не підходять.

Висновок

Отже, оптимальний варіант для запасання енергії в побуті — це батареї LiFePO4. Вони довговічні, енергоефективні й швидко заряджаються (хоч від мережі, хоч від власної генерації).

Li-ion також здатні зарядитись навіть за годину-дві наявності “електрохарчування”, проте вони менш довговічні й потребують додаткових заходів безпеки.

Гелеві акумулятори відрізняються від попередніх ціною та надійністю, але вони потребують тривалої зарядки. 

Свинцево-кислотні акумулятори, попри всі їх власні переваги, не підходять для експлуатації в системах резервного живлення.

Зберемо всі розглянуті характеристики в одній таблиці.

Характеристика	Li-ion	LiFePO4	AGM	Гелеві (GEL)
Термін служби	500–1500 циклів	3000–6000 циклів	300–800 циклів	500–1500 циклів
Глибина розряду	До 80–90%	До 90%	До 50–70%	До 80%
Енергощільність	180–250 Вт·год/кг	90–160 Вт·год/кг	~35–55 Вт·год/кг	~30–50 Вт·год/кг
ККД зарядки/розрядки	~90–95%	>95%	~70–85%	~80%
Час зарядки	1–3 години	1–4 години	6–8 годин	6–12 годин
Температурна стійкість	-10°C до +50°C	-20°C до +60°C	+15°C до +25°C	0°C до +30°C
Вартість	Висока	Висока	Низька	Середня
Безпечність	Середня	Дуже висока	Висока	Дуже висока