LiFePO4: плюсы и минусы без маркетинга

Что скрывается за четырьмя буквами

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, сокращённо LFP) — это не марка и не технология заряда, а состав катода. Любая литиевая ячейка устроена одинаково: два электрода и электролит между ними, при заряде ионы лития уходят из катода в графит анода, при разряде возвращаются. Химию называют по катоду, потому что он задаёт напряжение, энергию на килограмм и поведение при перегреве.

У LFP катод — фосфат железа с литием, решётка типа оливина. Кислород в ней связан внутри фосфатной группы прочной ковалентной связью, и при перегреве такой катод кислород не отдаёт. Слоистые оксиды никеля, кобальта и марганца (NMC), которые ставят в электроинструмент и электромобили, кислород выделяют — и он поддерживает горение изнутри, без доступа воздуха. Отсюда вся разница в репутации.

Платят за устойчивость напряжением и плотностью: 3,2 В на ячейке против примерно 3,6–3,7 В у NMC и меньше энергии в том же килограмме. Для дома, где батарея стоит неподвижно в котельной, проигрыш в массе роли не играет. Для того, что носят в руках, — играет решающую.

Числа, которыми LiFePO4 описывается честно

Номинальное напряжение ячейки

3,2 ВРабочий диапазон примерно 2,5–3,65 В. Точные пороги — в паспорте ячейки, по ним настраивается инвертор

Типовая сборка для дома

16 ячеек последовательно, 51,2 ВВстречаются также 15S под номинал 48 В и 4S под 12,8 В в малых блоках

Рабочая глубина разряда

80–90 %Ориентир. Задаётся не химией, а настройками BMS и условиями гарантии

Ресурс

3000–6000 цикловОриентир, требующий проверки: цифра имеет смысл только вместе с глубиной разряда, током, температурой и порогом остаточной ёмкости

Температура заряда

0…+45 °CНижняя граница жёсткая: ниже нуля заряд запрещён. Механизм разобран ниже

Температура разряда

−20…+55 °CОриентир. На морозе доступная ёмкость падает временно, в тепле возвращается

Ток заряда

0,2–0,5CОриентир для стационарных модулей: для 100 А·ч это 20–50 А

Саморазряд

2–3 % в месяцОриентир. При длительном хранении важнее оказывается собственное потребление BMS

Энергия на килограмм

90–160 Вт·ч/кгОриентир по ячейке. У модуля с корпусом, шинами и BMS цифра заметно ниже

Плюсы, если перевести их в проверяемые величины

Достоинства LFP имеет смысл обсуждать только в измеримых величинах. Ниже то же самое, что пишут в описаниях, но в цифрах, которые видны в паспорте и на объекте.

• Рабочая глубина разряда. Из свинца номиналом 10 кВт·ч без ущерба для ресурса берут 3–5 кВт·ч, из LFP той же номинальной ёмкости — 8–9. Покупают полезную энергию, а не номинал.
• Отдача под током. У свинца ёмкость падает с ростом тока: батарея, размеченная по двадцатичасовому разряду, при часовом отдаёт заметно меньше паспортной цифры. LFP при бытовых токах просаживается слабо, и расчёт автономии сходится с фактом.
• Плоская характеристика разряда. Напряжение держится почти до конца, инвертор всё это время работает в комфортном диапазоне и не уходит в защиту раньше времени.
• Отсутствие обслуживания. Нет долива воды, выравнивающего заряда и выделения водорода при штатной работе. Раз в год проверить затяжку силовых клемм — на этом уход заканчивается. Свинец, в отличие от лития, ещё и сульфатируется, если постоит разряженным.
• Масса и объём. При равной полезной энергии сборка в разы легче и компактнее свинцовой: это разница между «вешаем на стену» и «считаем нагрузку на перекрытие».

Что стоит за типовыми обещаниями в описании

Полезная ёмкость: из ампер-часов в часы работы

Самая частая ошибка при выборе — считать по номиналу. Возьмём модуль 51,2 В и 100 А·ч и пройдём путь до часов автономии.

1. Номинальная энергия: 51,2 В умножить на 100 А·ч — это 5,12 кВт·ч.
2. Рабочая глубина разряда 80 % оставляет 4,1 кВт·ч. Остальное недоступно намеренно: нижние проценты изнашивают ячейку быстрее всего.
3. КПД инвертора и потери в кабеле съедают ещё 6–10 % — ориентир для бытовых систем. На выходе 220 В остаётся примерно 3,7–3,85 кВт·ч.
4. Нагрузка «котёл, циркуляционный насос, роутер, часть освещения» — около 500 Вт. Автономия: 7,4–7,7 часа.
5. Та же нагрузка плюс холодильник и периодические пуски скважинного насоса — около 1,5 кВт в среднем. Автономия: порядка 2,5 часа.
6. Зимой в холодном помещении вычтите ещё часть: на морозе доступная ёмкость меньше, насколько — зависит от температуры, тока и модели.

Минус первый: заряжать на морозе нельзя

«Литий не работает зимой» — неточность, из которой происходит большинство зимних отказов. Разряжать LFP на холоде можно: напряжение просядет, доступная ёмкость временно уменьшится, повреждения не будет. Проблема в заряде.

При отрицательной температуре графит анода принимает ионы медленно. Ток заряда при этом никуда не девается, и литий, не успевший внедриться в графит, осаждается на его поверхности металлом — это литий-платинг. Осаждённый металл выпадает из работы навсегда: ёмкость падает необратимо, а дендриты повышают риск внутреннего замыкания. Один заряд в мороз батарею не убьёт, но каждый такой заряд отнимает часть ресурса без возврата.

Поэтому исправная BMS ниже нуля заряд просто блокирует. Это не поломка, а единственно правильное поведение. Зимой оно выглядит так: свет отключили, батарея отработала, свет дали — а система не заряжается, потому что в помещении минус. К следующему отключению дом остаётся без резерва.

Что с этим делают

• Ставят батарею в отапливаемое помещение: котельная, техническое помещение, тёплый тамбур. Самый дешёвый и надёжный вариант, и в большинстве домов он есть.
• Берут модуль со встроенным подогревом или термошкаф. Подогрев питается от заряда и сам расходует энергию, поэтому в мороз выход на нормальный заряд занимает больше времени; потребление указано в паспорте, и его закладывают в расчёт.
• Отказываются от лития в пользу свинца, если помещение отапливать нечем. Свинец на морозе тоже теряет ёмкость и приём заряда, но не деградирует необратимо от самого факта заряда на холоде.

Минус второй: цена входа и случай, когда она не окупается

LFP заметно дороже свинца на входе. Стандартный ответ продавца — «зато дешевле за цикл», и арифметически он верен. Цена киловатт-часа за срок службы считается так: цена батареи делится на произведение номинальной ёмкости, рабочей глубины разряда и числа циклов.

Подставим ориентиры. Литиевая сборка 10 кВт·ч при глубине разряда 80 % и ресурсе 3000 циклов отдаст за срок службы порядка 24 000 кВт·ч. Свинцовая того же номинала при рабочей глубине 40 % и ресурсе 500 циклов — порядка 2000 кВт·ч. Разница на порядок, и она перекрывает разницу в цене на ценнике. Числа здесь — ориентиры для сравнения порядков: для конкретного предложения подставьте цифры из его паспорта и свою цену.

Теперь неудобная часть, о которой в этом месте обычно молчат. В чисто резервном сценарии циклы почти не расходуются. Сто часов отключений в год при средней нагрузке 1,5 кВт — это 150 кВт·ч, около пятнадцати полных циклов. За десять лет наберётся полторы сотни циклов из трёх тысяч. Батарея в таком режиме умирает не от износа, а календарно, и аргумент «цена за цикл» к ней просто не относится.

Значит, в резервной системе платят за другое: за глубину разряда, за массу и габариты, за отсутствие обслуживания и за стабильное напряжение под нагрузкой. Аргумент «за цикл» становится главным там, где батарея работает ежедневно: солнечная генерация, накопление по ночному тарифу, сглаживание пиков.

Минус третий: без BMS это не аккумулятор, а набор ячеек

Домашняя сборка — это шестнадцать последовательно соединённых ячеек. Даже ячейки одной партии различаются по ёмкости, внутреннему сопротивлению и скорости саморазряда, и со временем разбег растёт. Последовательная цепь работает по самой слабой: заряд обязан остановиться, когда верхнего порога достигла первая ячейка, разряд — когда нижнего достигла первая. Всё, что накопили остальные, оказывается недоступным.

Это выравнивает BMS. Пассивная балансировка сбрасывает излишек с ушедших вперёд ячеек на резисторы токами порядка десятков-сотен миллиампер — ориентир, конкретная цифра в паспорте платы. При большом разбросе она не успевает за цикл. Активная балансировка переносит энергию между ячейками и справляется лучше, но стоит дороже.

Вторая работа BMS — защита по напряжению каждой ячейки, по току и по температуре, с отдельной блокировкой заряда на морозе. Третья — счёт уровня заряда, и здесь всплывает обратная сторона плоской разрядной характеристики: 51,2 В на клеммах ничего не говорят о том, 70 % там осталось или 30. Уровень заряда BMS считает по протекшему заряду, такой счётчик накапливает ошибку, и его калибрует периодический полный заряд.

Отсюда следствие, о котором стоит знать до монтажа. Срабатывая по защите, BMS разрывает силовую цепь, и дом теряет питание рывком — посреди работы котла, без предупреждения. Чтобы этого не происходило, BMS и инвертор должны разговаривать по CAN или RS485: инвертор заранее снижает ток или переключается на сеть. Связка без обмена данными работает, но грубо, и её пределы стоит выяснить до монтажа.

Что должна уметь BMS в домашней системе

• Показывать напряжение каждой ячейки отдельно, а не только суммарное.
• Отключать заряд ниже нуля и при перегреве, ограничивать ток заряда и разряда вместе с пиками.
• Отдавать инвертору уровень заряда и предупреждать о пределах до того, как разорвать цепь.

Мифы про взрывы: что здесь правда

Репутация лития сложилась из новостей про телефоны, самокаты и повербанки. Там стоят химии с кобальтом и никелем, там ячейки живут в кармане, падают, мокнут и заряжаются чем попало. Домашний накопитель отличается и химией, и условиями работы.

Механизм называется тепловым разгоном: разложение материалов ячейки выделяет тепло быстрее, чем оно отводится, и процесс сам себя поддерживает. Разница между химиями в двух вещах. Первая — температура начала разгона: у фосфата железа она заметно выше, чем у слоистых оксидов с кобальтом (ориентир — порядка двухсот градусов и выше против существенно меньших значений у NMC; точная цифра зависит от ячейки и уровня заряда и берётся из её паспорта). Вторая, более важная, — фосфатный катод при разложении не выделяет кислород, а слоистый оксид выделяет. Ячейке NMC в разгоне воздух не нужен, ячейке LFP — нужен.

Что это не отменяет. Электролит в любой литиевой ячейке горюч и при разложении даёт горючие и едкие газы, включая соединения фтора. При внешнем пожаре батарея не остаётся инертным предметом, поэтому помещение, вентиляция, отсутствие горючего рядом, сечение кабеля и защита по току — часть системы безопасности наравне с химией.

Реальные причины возгораний бытовых литиевых устройств повторяются: механическое повреждение, заряд неподходящим устройством без ограничения напряжения, отсутствие защиты, ячейки неизвестного происхождения, сборка без BMS. Стационарная батарея отличается тем, что стоит неподвижно в корпусе, не падает и не мокнет, а ток ограничен защитой в двух местах — в BMS и в щите.

LiFePO4, AGM и NMC: кто чем платит

Когда LiFePO4 не нужен

Мы производим литиевые системы, и тем не менее есть сценарии, где предлагать их честно не получается. Их шесть.

• Отключения регулярно длятся дольше суток. Чтобы закрыть двое суток при нагрузке 1,5 кВт, нужно порядка 70–80 кВт·ч полезной энергии, и батарея такого объёма стоит неадекватных денег. Ответ здесь — генератор или связка генератора с батареей.
• Батарею некуда поставить в тепле, а модуль с подогревом или термошкаф в бюджет не входят. Зимой система перестанет заряжаться и будет числиться, а не работать.
• Дача с редкими визитами и редкими отключениями при жёстком бюджете. Циклы не расходуются, календарный ресурс идёт, переплата не возвращается ничем, кроме удобства. Свинец здесь может быть разумнее.
• Нужна максимальная энергия на килограмм — мобильный комплект, который возят с собой. Это область NMC, а не фосфата железа.
• Задача пусковая: крутить стартер двигателя на морозе большими токами. Стационарный домашний модуль на это не рассчитан.
• Требуются большие пики — сварка, электрокотёл, проточный водонагреватель. Ограничение здесь не в химии, а в инверторе и в токе сборки: батарею придётся брать заметно больше, чем нужно по запасу энергии, только ради тока. Иногда дешевле развести нагрузки и резервировать не всё.

Частые заблуждения

Семь утверждений, которые встречаются чаще остальных и каждое из которых стоит денег.

1. «Литий взрывается». Взрываются другие химии и в других условиях. Инертной батарею это не делает: электролит горюч, защита по току и нормальный монтаж обязательны.
2. «Литий не работает зимой». Работает на разряд. Не работает на заряд ниже нуля, и разница принципиальная: разряд на морозе обратим, заряд — нет.
3. «Сто ампер-часов — это сто ампер-часов полезных». Ампер-часы умножаются на напряжение, затем урезаются рабочей глубиной разряда, затем уменьшаются на КПД инвертора. Из 5,12 кВт·ч номинала до розетки доходит порядка 3,7–3,85 кВт·ч.
4. «Литий не требует ухода вообще». Долива воды и выравнивающего заряда нет, но раз в год нужна проверка затяжки силовых клемм, а счётчику заряда полезен периодический полный заряд для калибровки.
5. «Батарею можно просто поставить вместо свинцовой». Профиль заряда другой: выравнивающий заряд и температурная компенсация, штатные для свинца, литию вредны. Пороги и токи в инверторе перенастраивают.
6. «Восемь тысяч циклов». Число без глубины разряда, тока и температуры не значит ничего: тот же элемент при другой глубине даёт другую цифру, и обе будут правдой.
7. «Хранить надо полностью заряженным». Для долгого хранения литию лучше средний уровень заряда и прохладное место: высокий заряд в тепле ускоряет календарное старение. Ориентир — около половины ёмкости, точная рекомендация в паспорте.

Что делать дальше

Порядок действий короткий и не требует разбираться в химии. Измерьте нагрузку, которую надо держать, — среднюю и пиковую, они определяют разные вещи. Посчитайте, сколько часов нужно продержаться, по фактической статистике отключений за прошлый год, а не по ощущениям. Определитесь с помещением: от температуры зависит, нужен ли подогрев и не разумнее ли в вашем случае свинец.

С этими тремя ответами подбор превращается в арифметику, а сравнение предложений — в сверку паспортов по колонке «что спросить в ответ». К ней стоит добавить два вопроса про сервис: до какой остаточной ёмкости действует гарантия и что меняется при отказе — модуль или вся сборка.