Литий-ионные аккумуляторы в ИБП: на пути к прорыву
Современные ИБП постоянно совершенствуются, но их «сердца» – аккумуляторные батареи – сохраняют здоровый консерватизм. Может быть, революцию в этой области совершат литий-ионные аккумуляторы с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом?
Производители ИБП средней и большой мощности не ограничивают заказчика в выборе аккумуляторов той или иной технологии, того или иного производителя. Доля АКБ в стоимости источников бесперебойного питания составляет, как правило, 20–40%, но при экстремально большом времени автономной работы стоимость АКБ может превышать стоимость ИБП. Поэтому периодически возникает желание снизить расходы за счет смены аккумуляторов. Ведь все аккумуляторы внешне одинаковы, только одни стоят дорого, другие чуть дешевле, а есть и совсем дешевые...
Превращение свинца в электричество
Сегодня отраслевым стандартом для статических ИБП являются свинцово-кислотные аккумуляторы, в которых во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде и окисление свинца на катоде. При заряде протекают обратные реакции.
Свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в открытом и закрытом исполнении (стандарт МЭК 50 (486)-1991). В источниках бесперебойного питания чаще всего используются батареи закрытого типа, которые правильнее называть необслуживаемыми герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами с рекомбинацией газа – Valve Regulated Lead-Acid Batteries (VRLA).
Эти аккумуляторы имеют низкое газообразование и при соблюдении условий эксплуатации полностью герметичны на протяжении всего срока службы. Однако они снабжены устройствами, позволяющими выделяться газу, когда внутреннее давление превысит установленное значение. Доливка воды в такие аккумуляторы невозможна.
Производятся VRLA-аккумуляторы на основе двух технологий: Gel и AGM. В случае Gel-технологии вместо жидкого электролита используется гелеобразный, получающийся в результате смешивания серной кислоты с загустителем (обычно это диоксид кремния – силикагель). При технологии AGM (Absorbed Glass Mat) электролит фиксируется в сепараторе из стекловолокна, размещенном между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. Количество электролита дозируется таким образом, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для циркуляции выделяющихся в результате химических процессов газов.
Открытые аккумуляторы («заливайки») имеют отверстия с крышками, через которые могут удаляться газо-образные продукты, заливаться электролит, замеряться его плотность. Отверстия могут быть снабжены системой вентиляции. В свинцово-кислотных аккумуляторах во всех режимах работы, в том числе при разомкнутой цепи нагрузки (холостой ход), происходит сульфатация поверхности электродов и газообразование с расходом на эти реакции воды, входящей в состав электролита. Это вынуждает периодически контролировать уровень и плотность электролита открытых аккумуляторов, доливать в них дистиллированную воду с проведением уравнительного заряда, что является довольно трудоемкой операцией. Поэтому в ИБП открытые аккумуляторы используются крайне редко и только теми заказчиками, которые и без того имеют большой парк аккумуляторов и персонал, обученный работе с ареометром, серной кислотой и дистиллированной водой. Кроме сложностей обслуживания инсталляция обслуживаемых аккумуляторов сопряжена с организацией специально предназначенных помещений (производственной категории Е в зданиях не ниже II категории огнестойкости по противопожарным требованиям СНиП II-2-80), оборудованных стационарной принудительной приточно-вытяжной вентиляцией, не связанной с общей системой вентиляции.
Ценный и редкий никель
Продолжая разговор об аккумуляторной экзотике, перейдем к никель-кадмиевым аккумуляторам. По своим потребительским свойствам они сопоставимы со свинцово-кислотными, но ощутимо легче и невосприимчивы к высокой или низкой температуре эксплуатации. Ni-Cd-аккумуляторы любят быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока. Из явных недостатков Ni-Cd-батарей следует отметить присущий им эффект памяти, затрудняющий их применение, поскольку они должны всякий раз разряжаться практически «в ноль», что не соответствует режиму эксплуатации аккумулятора в ИБП. Другой недостаток – токсичность применяемых материалов, которая отрицательно сказывается на экологии. Некоторые страны даже ограничивают использование аккумуляторов этого типа. Все это в сочетании с совершенно неконкурентной по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами ценой не позволяет никель-кадмиевым АКБ получить широкое распространение в ИБП. Это сугубо нишевое решение, не занимающее сколько-нибудь значимой доли рынка.
Другой подтип – никель-металлогидридные аккумуляторы – в последние десятилетия серьезно потеснили никель-кадмиевые во многих областях техники. Особенно широко они используются в автономных источниках питания портативной аппаратуры, потребительские свойства которой улучшились благодаря их удельным характеристикам, в полтора-два раза более высоким, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. При сохранении недостатков Ni-Cd-аккумуляторов и еще более высокой цене закономерно, что в ИБП Ni-MH-аккумуляторы не применяются.
В последнее время на российском рынке появилась еще одна инновационная разработка в области химических источников тока многоразового использования – никель-солевые аккумуляторы. Такие аккумуляторы производятся из обыкновенной поваренной соли, керамики и никеля. Заявляемые производителями преимущества данного решения заключаются в следующем:
- на 70% меньший вес и на 30% меньший занимаемый объем в сравнении с обычными свинцово-кислотными АКБ;
- неизменность эксплуатационных характеристик в широком диапазоне температур;
- отсутствие потребности в дополнительном кондиционировании и вентиляции воздуха;
- высокий циклический ресурс;
- возможность удаленного мониторинга состояния батареи за счет интегрированного в каждый аккумулятор электронного модуля контроля.
Высокая стоимость солевых аккумуляторов компенсируется длительным сроком службы и отсутствием расходов на кондиционирование, в результате чего достигается средняя по отрасли совокупная стоимость владения.
Однако из-за специфики происходящих внутри таких аккумуляторов химических реакций для запуска батареи необходимо разогреть электролит как минимум до 157°С, а их внутренняя рабочая температура составляет 275–300°С. Таким образом, никель-солевая батарея всегда должна находиться в горячем резерве (в прямом смысле!), что влечет за собой необходимость постоянного поддержания системы собственных нужд и затрат на нее некоторого количества энергии. На удаленных объектах с автономным электроснабжением это может стать существенным недостатком.
Кроме того, предлагаемые на рынке решения на основе никель-солевых аккумуляторов «заточены» под системы питания связи с напряжением 48 В. Специфика же источников бесперебойного питания для ЦОДов предполагает сборку высоковольтной (400–600 В DC) батареи. Попытки создать «длинную» никель-солевую линейку, насколько нам известно, пока безуспешны. Открытым, на наш взгляд, остается вопрос взрыво- и пожаробезопасности таких батарей, особенно с учетом необходимости контроля высокотемпературных химических реакций. Впрочем, для телеком-применений на 48 В постоянного тока сейчас это самое прогрессивное решение.
О «выслуге лет»
В то же время никелевые и обслуживаемые свинцовые аккумуляторы лишены главного недостатка VRLA-батарей, который заключается в коротком сроке службы.
Самыми долговечными при соблюдении правил эксплуатации являются открытые аккумуляторы, способные служить 20 и более лет. Срок службы герметизированных АКБ достигает 10–12 лет. Однако производители батарей выпускают серийные герметизированные аккумуляторы и с меньшим сроком службы, но более дешевые. По классификации европейского объединения производителей аккумуляторов EUROBAT эти аккумуляторы разделяются на четыре класса по характеристикам и сроку службы:
- более 12 лет;
- 10–12 лет;
- 6–9 лет;
- 3–5 лет.
Эти сроки службы соответствуют средней температуре эксплуатации +20°С. При повышении температуры на каждые 10°С за счет ускорения электрохимических процессов срок службы аккумуляторов сокращается в два раза. Таким образом, весьма недешевая VRLA-батарея класса 10+ при температуре эксплуатации +40°С прослужит всего 2,5 года – и это будет прекраснейший результат для высококачественной батареи. От «пятилетки» в этих же условиях бессмысленно ждать работу дольше 15 месяцев. Вместе с тем срок службы «заливаек» при правильном обслуживании превысит срок службы (или морального устаревания) ИБП.
Получается, что аккумуляторы – расходный материал в инсталляциях источников бесперебойного электропитания. Долговечные открытые свинцовые аккумуляторы сложны в эксплуатации, тяжелы, что вызывает необходимость распределения нагрузки по поверхности перекрытия, из-за пожароопасности требуют создания специальных условий и вредны для окружающей среды. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы дороги, плохо подходят для эксплуатации в ИБП (эффект памяти!) и опять-таки вредны для окружающей среды. Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы лишены всех вышеуказанных недостатков, но недолговечны. На объектах, где установлено более сотни линеек АКБ, поэтапная замена старых батарей на новые может растянуться на два-три года, а в случае пятилетних батарей этот процесс становится непрерывным, что заставляет разработчиков схем электроснабжения задумываться об отказе от АКБ как таковых.
Альтернатива аккумуляторам
Основной альтернативой ИБП, использующим аккумуляторы, становятся динамические ИБП.
Напомним, что традиционно системы бесперебойного и гарантированного электропитания строятся из источников бесперебойного электропитания для борьбы с краткосрочными пропаданиями электричества, дизель-генераторов для работы при долгосрочных отключениях, а также различных устройств контрольной электроники для переключений между разными источниками энергии. ИБП делятся на два класса: статические (с электрохимическим источником тока) и динамические (с накопителями кинетической энергии – ДИБП).
Главное преимущество ДИБП – отсутствие в них аккумуляторов. Динамические ИБП действуют как механический аккумулятор и состоят из находящихся на одном валу обратимой электрической машины для преобразования электрической энергии в кинетическую и наоборот и маховика-накопителя. С этими ИБП не связаны вышеописанные «ужасы», обусловленные электрохимией. У них нет расходных материалов, нет требований к климатическим условиям в помещениях, нет пожарной опасности, нет вреда природе, нет потребности в выделенных помещениях. В числе преимуществ ДИБП называют и высокий КПД, но он соизмерим с КПД современных статических ИБП (даже в режиме двойного преобразования).
Основное отличие (и очевидный недостаток) динамических ИБП – чрезвычайно малое время автономной работы, 10–15 с при полной нагрузке. Кроме того, высокая скорость вращения маховика-накопителя обусловливает высокую точность и сложность изготовления устройства, критическим элементом которого становятся подшипники.
Сомнения в целесообразности использования ДИБП заключаются в показателях надежности. При высочайших заявленных наработках на отказ степень надежности решения достаточно спорна, учитывая высокую сложность изготовления точной механики и малое время автономной работы. Говоря проще, выглядит «динамика» столь же заманчиво, сколь и опасно.
Инновации в ИБП
Есть ли другие решения? Ведь наука не стоит на месте! Какие шаги были предприняты на пути к «идеальному» аккумулятору? Наиболее перспективными на сегодня являются литий-ионные АКБ (см. таблицу).
Во всем мире исследования и разработки в области литий-ионных технологий стремительно развиваются, появляются новые типы литий-ионных аккумуляторов. В ближайшее десятилетие следует ожидать, что такие аккумуляторы вытеснят с рынка устаревшие электрохимические схемы, особенно если удастся снизить их стоимость.
От взрыва к запасам энергии
Впервые идеи использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) были выдвинуты в начале 50-х годов, а первые реальные аккумуляторы на литии появились в конце 80-х. В них анод состоял из лития, а катод – из оксидов металлов.
Преимущества лития заключаются в том, что это самый легкий металл, он обладает самым маленьким электрохимическим эквивалентом (отношением массы к заряду иона) и одновременно наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (–3,045 В относительно стандартного водородного электрода). Кроме того, литий обладает свойством проникать в кристаллическую решетку (например, в оксиды металлов) с образованием обратимой химической связи.
ЛИА первого поколения были привлекательны по многим параметрам: быстро заряжались, быстро разряжались, имели хорошую емкость, не имели эффекта памяти. Однако при увеличении числа выполненных циклов заряда-разряда (в которых катион лития переходит в металл и наоборот) на литиевом аноде вырастали металлические «иголочки» (рис. 1). Они пробивали слой электролита, и происходило короткое замыкание, сопровождавшееся взрывом. Поэтому к химическим источникам тока на основе лития сначала относились с опаской.
У второго поколения аккумуляторов на литии в качестве анода использовался углерод (графит). Эта идея была предложена учеными из Оксфордского университета. Первые аккумуляторы такого типа были представлены компанией Sony в 1991 г.
Как известно, углерод – это слоистая структура, между слоями которой имеется «зазор», куда могут проникать (в химии используется термин «интеркалировать») другие атомы. В данном случае при заряде-разряде аккумулятора атомы лития внедряются между слоями графита, образуя соединение LiC6. Реакция образования этого соединения обратима: при заряде углерод заполняется литием, при разряде литий уходит из него. Это позволяет избежать возникновения «иголок» из лития, которые вырастали на литиевом аноде. В качестве катода используется кобальтат лития (LiCoO2).
Однако и у ЛИА второго поколения есть серьезные недостатки. Он может отдать не больше половины запасенной емкости, так как при более сильном разряде разлагаться начинает уже катод – с выделением кислорода и металлического кобальта. И здесь снова возможны короткое замыкание и взрыв.
Этот фактор до последнего времени принципиально ограничивал увеличение размеров литий-ионных аккумуляторов, например до масштабов, необходимых для создания энергоемких решений, где нужны сотни киловатт-часов энергии. Угроза взрыва здесь недопустима.
Однако огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживает постоянный интерес к их усовершенствованию, и в 2003 г. в Массачусетском технологическом институте (MIT) впервые было предложено использовать феррофосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала (рис. 2).
Это соединение всегда считалось перспективным для промышленности. Оно доступное и нетоксичное (в отличие от свинца, кадмия и никеля) и способно отдать весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая емкость.
Профессор Йет Минь Чан из MIT предложил уменьшить размеры отдельных частиц LiFePO4 до 100 нм, что в тысячи раз увеличивает площадь активной (пригодной для интеркаляции лития) поверхности. Электропроводность была увеличена за счет наночастиц углерода. В результате аккумуляторы с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходят обычные кобальтовые по токам разряда. Кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивается, поэтому количество рабочих циклов батареи возрастает до 5 тыс.
Таким образом, литий-ионные аккумуляторы третьего поколения на основе литий-феррофосфата безопасны, высокоэнергоэффективны и экологичны.
Здоровое долголетие
Из коммерческих преимуществ ЛИА (далее под литий-ионными аккумуляторами будем понимать аккумуляторы третьего поколения, т.е. с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом) на первое место мы поставили бы длительный срок службы. Так, ЛИА успешно работают на транспорте (в электромобилях, погрузчиках) до восьми лет без ухудшения характеристик. Обратите внимание: они используются в «трамвайном» режиме с сотнями (!) ежедневных циклов заряд-разряд. В троллейбусном депо Новосибирска ЛИА эксплуатируются около двух лет, батареи показывают себя хорошо как в летнюю жару, так и в сибирские морозы.
Расчетный срок службы ЛИА в источниках бесперебойного питания составляет 20–25 лет – ведь у нормального ИБП двойного преобразования в лучшем (или худшем?) случае наберется пара десятков циклов заряд-разряд в год! Следовательно, срок службы аккумуляторов становится равным сроку службы основного оборудования (а в некоторых случаях превышает его). За четверть века ИБП устареет морально, в нем несколько раз заменят вентиляторы и другие механические детали, произойдет усыхание электролита в элементах силовой электроники и т.д. Таким образом, АКБ перестают быть расходным материалом, исчезают эксплуатационные расходы на их замену.
Срок службы ЛИА в источниках бесперебойного питания сопоставим со сроком службы динамических накопителей или открытых обслуживаемых батарей, но без хлопот, связанных с заменой подшипников на маховике через несколько лет работы или с регулярным обслуживанием и доливами дистиллированной воды. Подчеркнем, что и стоимость аккумуляторов со столь длительным сроком службы сопоставима со стоимостью открытых обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов.
Легки на подъем и неприхотливы
Тот факт, что ЛИА допускают эксплуатацию при температуре до +40°С без деградации потребительских свойств, емкости и срока службы, означает прежде всего возможность установки аккумуляторов в общие помещения щитовых вместе с ИБП. Этим помещениям не требуется специальная система кондиционирования, во многих случаях можно воспользоваться типовой системой вентиляции. Вспомним, что нормальная температура эксплуатации герметичных свинцово-кислотных АКБ – до +25°С, и это вынуждает размещать батареи в отдельном помещении с собственной системой кондиционирования. А установка в отдельном помещении – это потеря полезных площадей ЦОДа, ведь потребуется зона отчуждения для открывания дверей, для коридоров, для самих стен и проходов в помещениях. Собственная система кондиционирования (или увеличение мощности общей системы) – это дополнительные затраты при строительстве, эксплуатационные расходы на электроэнергию и обслуживание. Всех этих недостатков лишены системы бесперебойного питания, использующие ЛИА.
Вес литий-ионного аккумулятора в три раза меньше веса свинцово-кислотного АКБ той же емкости. К примеру, одна ячейка емкостью 240 А*ч весит всего 7 кг. На практике это означает, что при установке в батарейных кабинетах удастся разместить батареи вертикально в несколько рядов. По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами это означает сокращение занимаемой батареями площади на 35–40%, при одновременном сокращении нагрузки на перекрытие на 15–20%! При размещении же на простых стеллажах экономии площади практически не возникает, но нагрузка на перекрытие уменьшается в три раза. В любом случае применение ЛИА в ИБП приведет к существенному снижению капитальных и операционных затрат.
ЛИА пожаробезопасны. Ни в процессе заряда, ни в процессе разряда батареи не выделяют горючих газов. Все процессы протекают изотермически, т.е. без выделения тепла. Как уже отмечалось, ЛИА на основе литий-феррофосфата не содержат каких-либо вредных веществ и не создают угрозы для экологии. Отслужив свое, они не доставляют хлопот бывшим хозяевам – не требуют специальной утилизации и могут быть выброшены с бытовыми отходами.
Всё под контролем
Опасность для литий-ионного аккумулятора (как, впрочем, и для любого другого) могут представлять чрезмерно глубокий разряд или перезаряд. ЛИА третьего поколения защищены и от этих напастей. Каждая аккумуляторная ячейка поставляется с модулем системы управления батареей (Battery Management System, BMS). Это небольшая, размером с кредитную карту, плата, содержащая необходимые датчики, средства связи и инструменты управления. Главная задача модуля – диагностика состояния батареи. Система обеспечивает постоянный дистанционный контроль, проводит оценку степени заряда батареи, измеряет напряжение и температуру. Информация о каждом аккумуляторе передается по Wi-Fi и может быть воспринята мобильными Windows- или Android-устройствами или же собирается на центральной станции мониторинга (при ее наличии). Будучи связаны между собой как информационными, так и силовыми линиями, платы BMS заставляют массив литий-ионных аккумуляторных ячеек работать как единая батарея. При этом обеспечиваются температурная компенсация зарядного тока и напряжения, управление отключением батарей в конце разряда, защита от глубокого разряда, защита от ложного срабатывания, ограничение тока заряда.
В случае применения ЛИА в ИБП многие функции бережного обслуживания батарей могут показаться задублированными, однако это не так. И температурную компенсацию, и ограничения токов, и контроль напряжения батареи ИБП осуществляет одновременно со всем батарейным массивом, который может состоять из нескольких линеек с несколькими десятками (или даже сотнями) ячеек в каждой. Понятно, что, имея дело со «средней температурой по больнице», нельзя добиться прецизионного обслуживания каждой ячейки. В то же время индивидуальный подход позволяет практически творить чудеса. В литий-ионных аккумуляторах с BMS возможна поэлементная замена ячеек! Да, да, читатель удивленно перечитывает предыдущую фразу, но это именно так.
Известно, что для свинцово-кислотных аккумуляторов действуют «правила одинаковости». Соединять в линейку можно аккумуляторы одинаковой емкости, одного и того же производителя, одной серии и, весьма желательно, одной партии, точнее, одной даты изготовления. В случае выхода из строя одного или нескольких аккумуляторов требуется замена всей линейки. Эта крайне неприятная особенность объясняется просто. Представьте себе, что свинцово-кислотная батарея – это ломовая лошадь. Когда молодого и полного сил тяжеловоза впрягают в повозку, которую уже много лет тянут постаревшие и уставшие лошади, он начинает работать на износ. Так и новенькая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея начинает «тащить» на себе соседок, повышая среднее напряжение в линейке за счет перенапряжения на себе самой. Работая на износ, эта новая батарея быстро выходит из строя. Именно поэтому поэлементная замена повсеместно признана неэффективной. Разумеется, находятся «народные умельцы», которые путем сложных манипуляций с батареей подгоняют ее параметры, условно говоря, состаривают батарею, и иногда после этого инсталляции успешно работают. Но ни один поставщик или производитель батарей не признает такой случай гарантийным.
А вот в литий-ионных аккумуляторах с системой BMS поэлементная замена ячеек возможна. Интеллектуальный модуль на каждом аккумуляторе полностью контролирует все происходящие процессы. Если продолжить аккумуляторно-лошадиную аналогию, то молодой и полный сил тяжеловоз будет работать ровно столько, сколько надо, может быть, даже вполсилы, сохраняя себя и не разваливая весь батарейный массив. Благодаря тому что модули BMS контролируют перетоки между батареями, поэлементная замена становится возможной. Нетрудно догадаться, что такое удивительное свойство, как замена «по фактическому состоянию» не только повышает степень готовности системы за счет минимизации времени ремонтов, но и существенно сокращает эксплуатационные издержки. Даже если одна или несколько ячеек ЛИА получили механические повреждения (а других с ними и быть не может), их можно в любое время быстро, недорого и безболезненно заменить.
Будьте готовы! Всегда готовы!
Литий-ионные аккумуляторы выдерживают ток заряда от 0,1 С10 до 0,7 С10, т.е. до семи раз больше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, благодаря чему они во столько же раз быстрее заряжаются. Таким образом достигается беспрецедентно высокий коэффициент готовности систем на основе ЛИА к новому пропаданию электропитания – до 0,99999 («пять девяток»). Однако отметим, что при всей заманчивости этого преимущества оно может оказаться самым невостребованным. Ведь в два–семь раз более высокая скорость заряда АКБ означает, что от энергосистемы потребуется пропорционально большая мощность, которая будет использована только для заряда аккумуляторов. В современных проектах ЦОДов, как правило, каждый киловатт на счету, и позволить себе такую роскошь могут немногие.
Инновационные литий-ионные аккумуляторы с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом в статических системах бесперебойного электропитания обеспечивают нулевые затраты на замену АКБ в течение срока службы ИБП, нулевые затраты на кондиционирование батарейных комнат, экономию площади инсталляции на 35–40% и существенное снижение капитальных затрат при строительстве. Инжиниринговые компании уже готовы внедрять новые технологии как в проектах новых ЦОДов, так и на реконструируемых объектах.
По сравнению с серверным, связным оборудованием и даже с системами кондиционирования технологическое развитие ИБП идет медленно, глобальных прорывов не видно давно, а усовершенствования малозаметны. А может, ЛИА и есть прорыв? Или по крайней мере переход на новую ступень развития?
Авторы: Сергей ЕРМАКОВ и Дмитрий КОРЕВ