Akumulátory LiFe, přesněji označované LiFePo4, nejsou žádnou novinkou, na našem trhu se uchytily zhruba před osmi roky a od té doby tvoří pro řadu aplikací výhodnou alternativu. Přesto do širšího povědomí veřejnosti příliš nepronikly. Zkusme se podívat na to, co tyto zdroje vyžadují a co mohou nabídnout.
Přestože LiFe produkuje řada výrobců, zejména z Dálného východu, zaměříme se konkrétně na výrobky americké firmy A123 Systems z Massachusetts, která je také majitelem klíčových patentů. Její akumulátory jsou snadno dostupné i u nás a mají proti napodobeninám výrazně lepší vlastnosti dané technologií výroby. Články A123 jsou v podstatě Lithium-Ion-Železo-Fosfátové akumulátory, při jejichž výrobě byly kromě čistých materiálů využity nanotechnologie a velikost částic aktivní hmoty proti běžným Li-ion se zmenšila přibližně o dva řády. To přineslo podstatný pokles vnitřního odporu, zvýšení povoleného nabíjecího i vybíjecího proudu a také životnosti.
Na trhu jsou dva základní typy článků, větší s kapacitou 2,3 Ah a menší 1,1 Ah, reálná kapacita bývá o něco vyšší, než jmenovitá. Oba typy jsou zapouzdřené ve válcovém obalu z hliníkové slitiny, který jim dává výbornou odolnost proti mechanickému poškození, kterou běžné „pytlíkové“ Li-pol postrádají. Pouzdra jsou vybavena tlakovými pojistkami, takže ani při brutálním přebíjení nebo zkratu články neexplodují a nevycházejí z nich plameny, chrání okolí dokonce i při proražení nebo rozdrcení pouzdra.
Větší verze má průměr 26 a výšku 65 mm včetně tenkého plastového potahu, hmotnost se pohybuje kolem 70 g. Menší verze má průměr 18 mm, délku 65 mm a hmotnost kolem 39 g. Kontaktní plochy na čelech jsou poniklovány a přizpůsobeny k bodování přívodů nebo pájení, dají se pájet přímo trubičkovou pájkou s kalafunou, s použitím pájecí kapaliny na nikl to jde výrazně lépe a výsledek je čistší. Na rozdíl od zažitých zvyklostí je u větší verze kladný pól na obalu článku, záporný na široké „čepičce“. Uprostřed čepičky je otvor přetlakové pojistky pouzdra, který nesmí být nikdy uzavřen a utěsněn, zejména ne pájením vývodů. Celou čepičkou lze s použitím větší síly pootočit, je ale přinejmenším nežádoucí to dělat a větší pohyb by mohl akumulátor zničit. Menší verze má obvyklou orientaci, kladný pól je na čepičce, záporný na obalu, bezpečnostní ventil se ukrývá kladným pólem.
Akumulátory LiFe se nabíjí metodou CC/CV (constant current / constant voltage), což v podstatě znamená, že až do dosažení maximálního napětí 3,60 V na článek se nabíjí stabilizovaným proudem, poté je na nich udržováno maximální napětí a proud samovolně klesá. Ukončení nabíjení není nezbytně nutné, nicméně se doporučuje, automatika nabíječů bývá nastavena na pokles nabíjecího proudu na 0,2 až 0,05 výchozí hodnoty. Jako jmenovité napětí se udává 3,3 V, přičemž vybíjecí charakteristika je velmi plochá se strmým poklesem napětí ke konci kapacity. Nikdy by nemělo dojít k vybití pod mez 2,0 V, v praxi je ale lepší dodržovat minimální napětí 2,5 až 2,6 V. Pokud mají být akumulátory delší dobu skladovány, neměly by být ani plně vybité ani nabité, optimální je výchozí nabití asi na 60% kapacity.
Články A123 zpočátku přinesly ve své době revoluční zrychlení nabíjení, výrobce dovoluje proud 4 až 5 C, tedy čtyř až pětinásobek číselného hodnoty vyjadřující kapacitu. Za typický nabíjecí proud se u větších článků většinou považuje 10 A, u menších 5 A. Více než 90% náboje lze doplnit během 15 minut, plné nabití vyžaduje čas zhruba dvojnásobný. Nabíjet lze z jakéhokoli výchozího stavu, žádné vybíjení před nabitím není třeba. Nabíjecí proud může kolísat (nepřekročí-li maximum), což je výhodně třeba při dobíjení ze solárních panelů. Zkrácení nabíjení umožňuje zdroje při provozním cyklu (90%) v praxi „protočit“ až třikrát během jediné hodiny. Nebudeme-li brát ohled na snížení životnosti a soustředíme se jen na mezní parametry, pak nabíjení lze při dobrém chlazení dále 2 – 3x zrychlit proudem až 12 C (27 A / 13 A) a dosáhnout stavu provozního nabití (90%) za méně než 5 minut! Nová generace článků již zvládá pětiminutové nabíjení typicky.
Podobně jako u Li-pol se také v případě LiFe vyplatí při nabíjení jednotlivé sériově spojené články sady balancovat, tedy udržovat jejich napětí tak, aby rozdíly nepřevýšily přibližně 10 mV. Děje se to odebíráním proudu při nabíjení automatickým připojováním paralelních rezistorových zátěží k silnějším článkům, případně lze nabíjet články jednotlivě. Při vybíjení není balancování potřeba, ovšem pro výkonově náročné aplikace lze doporučit sledování napětí jednotlivých článků a vyhodnocení stavu sady podle nejslabšího z nich.
Udávaná proudová zatížitelnost při vybíjení je 30 C (69 A / 33 A) trvale a 60 C (138 A / 66 A) špičkově. Výrobce u větších článků dokonce deklaruje možnost odběru 120 A po dobu 10 s nebo mžikových impulzů až 240 A. Tyto hodnoty praxe potvrdila, ale je nutné zdůraznit, že jsou mezní. Při běžném používání je vhodné, aby proud nepřekračoval delší dobu 35 A. Vnitřní odpor měřený při zatížení proudovým pulzem dlouhým 1 s se typicky pohybuje pod 10 miliohm, standardně měřená impedance při 1 kHz kolem 8 miliohm. Menší články v praxi snesou nižší proudy než udává výrobce, trvale kolem 12 A, vnitřní odpor se pohybuje kolem 30 miliohm. Napětí měřené v průběhu vybíjení bez vlivu proudu (v krátké mezeře odběru) by nemělo klesnout pod 2,8 V/článek, pokud měříme při zatížení, pak při proudu 1 C lze mez posunout až na 2,5 V a při odběru větším než 10 C až na 2,0 V. Údaje o mezních proudech není možné uplatňovat bezmyšlenkovitě, protože zejména trvalý odběr se udává při optimálním chlazení, což jsou podmínky, k nimž se většinou ani neblížíme a většina tepla při rychlém vybíjení je akumulována do článků, aby se až následně postupně přenesla do okolí.
Vybíjecí křivka se nápadně blíží ideální, tedy jen s malou oblastí zvýšeného napětí na počátku vybíjení (<10% doby vybíjení při konstantním odběru), dlouhou oblastí držení téměř konstantního napětí s nepatrným plynulým poklesem (>80% kapacity) a ostrým kolenem následovaným strmým pádem napětí v závěru (<10%). Články jsou velmi tvrdé až do vyčerpání většiny energie, což je na jednu stranu výhodné, na druhou prakticky nepřichází varování poklesem napětí před koncem činnosti a určit zbývající kapacitu měřením napětí je mírně řečeno obtížné. Široká oblast konstantního napětí se mění jen málo v závislosti na odběru proudu, dokonce charakter změny je opačný, než by se možná dalo předpokládat. Při malém zatížení vykazuje křivka slabý pokles, kolem 30 A trvalého odběru (články 2,3 Ah) se srovnává do konstanty a další růst odběru způsobí, že napětí v průběhu vybíjení dokonce roste, za což může zahřívání proudem a změna napětí s teplotou.
Články A123 se používají ve vojenské, lékařské a letecké technice, oblíbené jsou třeba v mobilním výkonném nářadí firmy Black & Decker, průmyslových záložních zdrojích, u nás jim před časem na chuť přišli hlavně modeláři jako zdroji pro pohon elektroletů, i když následně převážilo používání vylepšené generace Li-pol. Velké množství těchto článků jde do výroby elektromobilů, kde se někdy za všeobecným označením „lithiových“ akumulátorů skrývají právě LiFePo4, ovšem v průmyslovém prismatickém provedení.
Životnost akumulátorů A123 udávaná výrobcem působila zpočátku značně nevěrohodně, grafy vypovídaly o poklesu kapacity o 20% po více než 7000 úplných cyklech při nabíjení a vybíjení proudem 1C, v případě neúplných pak mohlo jít dokonce o řádově desetitisíce cyklů. O životnosti omezené stárnutím, tedy bez vlivu cyklování, firemní údaje mlčí. Modelářská praxe posledních roků, při níž jsou většinou akumulátory vystaveny v podstatě mezním podmínkám, prakticky potvrdila, že údaje výrobce jsou reálné, řada sad sestavených v roce 2006 pracuje dodnes bez problémů, znát je jen malé snížení kapacity a růst vnitřního odporu, což je ale po létech v provozu pochopitelné.
Podstatně podrobnější článek obsahující i vyzkoušené srovnání životnosti LiFe, Li-pol a NiMH a postupný pohles kapacity v průběhu stovek cyklů vyšel v časopise Praktická elektronika – A radio v čísle 9/2010.