Сравнение LiFePO4 и Li ion: в чем разница и когда что выбрать?

Литий-ионный аккумулятор — это общий класс батарей, где заряд переносят ионы лития. Катоды бывают разными: LCO, LMO, NMC, NCA, LiFePO4 и др. Принцип один, но параметры отличаются: плотность энергии, ресурс, безопасность, поведение на холоде/жаре и цена. Номинал большинства Li-ion — 3,6—3,7 В на ячейку; у LiFePO4 — около 3,2 В. Под «классическим Li-ion» чаще понимают NMC/NCA: они компактные и мощные, поэтому их ставят в портативную электронику и электромобили.

Где здесь LiFePO4? LFP — одна из Li-ion химий. Почему под «Li-ion» имеем в виду NMC/NCA

LiFePO4 (LFP) — разновидность литий-ионных аккумуляторов с катодом из фосфата железа. Это тот же Li-ion, но с иным балансом свойств: ниже удельная энергия и номинал ячейки (3,2 В против 3,6—3,7 В), зато выше термостабильность, безопасность и ресурс. Поэтому при той же емкости батареи LFP обычно крупнее/тяжелее. В этой статье под «Li-ion» подразумеваем никель-кобальтовые химии NMC/NCA, потому что именно с ними чаще сравнивают LFP.

Краткое резюме: кто в чем сильнее

Коротко сравним два вида аккумуляторов.

Когда выбирать LiFePO4

Если важны безопасность, ресурс и предсказуемость, берите LFP. Порог теплового разгона около 270 °C против 150—210 °C у NMC/NCA. Ресурс выше: 2 500—5 000+ циклов до 80% емкости против 800—2 000 у классических Li-ion. Это оптимально для ESS, автономных домов, яхт и кемперов с частыми глубокими циклами. По стоимости LFP часто выгоднее, сами ячейки дешевле на 10—30% за 1 кВт·ч. Минус — меньшая удельная энергия и номинал 3,2 В на ячейку, поэтому батарея получается тяжелее и крупнее.

Когда выбирать NMC/NCA (классический «Li-ion»)

Нужны минимальный вес и объем, высокая мощность, устойчивая работа на холоде — выбирайте NMC/NCA. Удельная энергия 180—260 Вт·ч/кг против 90—160 Вт·ч/кг у LFP, поэтому при той же емкости батарея в полтора раза легче и компактнее. Обычно выше допустимые разрядные токи. При −20 °C такие ячейки сохраняют 70—80% емкости, тогда как LFP — 50—60%. Это подходит для электромобилей, дронов, электроинструмента, систем с зарядом до 4,2 В на элемент.

Сводная таблица приоритетов:

У LiFePO4 ниже удельная энергия, поэтому на тот же кВт·ч она тяжелее и крупнее — обычно на 30—60% больше массы, чем NMC/NCA. Например, LiFePO4 12,8 В 100 А·ч (1,28 кВт·ч) весит 12—15 кг, тогда как NMC той же энергии — 8—10 кг. Для 48 В LFP требует больше последовательно соединенных ячеек: 16S (16×3,2 В) против 13S у NMC (13×3,7 В). В стационаре это не критично, а в портативе и транспорте — заметный минус.

Разница в энергетической плотности напрямую влияет на области применения:

• Портативная электроника. Смартфоны, ноутбуки и камеры используют NMC/LCO/NCA из-за высокой удельной энергии. LFP сюда не ставят: при той же работе он занял бы 30 % больше места и веса, а номинал 3,2 В не совпадает со стандартными 3,7 В.
• Дроны и авиация. Масса критична, поэтому берут NMC с максимальной энергоемкостью. LFP слишком тяжел.
• Электротранспорт (EV). Для максимального пробега и мощности — NMC/NCA. В автобусах и коммерческом транспорте лишняя масса не критична, поэтому чаще выбирают LFP.
• Автофургоны, кемперы, яхты. В автономных бортах LFP — оптимален: он тяжелее NMC, но все равно легче свинца, безопаснее в замкнутом объеме, спокойно переносит глубокие разряды.
• Стационарные установки. Домашние накопители, ИБП, телеком — здесь LFP стандарт: массу/объем легко масштабировать, а взамен получаете безопасность и срок службы 10—15 лет.

Ресурс: циклы и календарная жизнь

Циклический ресурс — это сколько циклов заряд/разряд выдержит батарея до падения емкости до 80%. 

LiFePO4. При DoD (глубина разряда) 80% качественные LFP дают 2 500—5 000 циклов до 80% емкости. На практике это 7—13 лет ежедневных полных разрядов. В мягком режиме (DoD 50%) ресурс достигает 15—20 лет. В промышленном хранении энергии часто гарантируют ≥4 000 циклов.

NMC/NCA. При тех же условиях — примерно 800—1 500 циклов (в лучшем случае до 2 000). В ESS обычно заявляют около 2 000 циклов. При неглубоком разряде (DoD 20—30%) ресурс может быть «несколько тысяч», но при глубоких разрядах деградация быстрее, чем у LFP.

Календарная жизнь. У всех химий она ухудшается на жаре и при хранении на 100% SoC (текущий уровень заряда). LFP стареет медленнее и предсказуемее, NMC/NCA — чувствительнее к температуре и высокому уровню заряда.

Глубина разряда и режимы эксплуатации:

Безопасность и термостабильность

У LiFePO4 тепловой разгон начинается при 240—270 °C, у NMC/NCA — при 150—210 °C. Запас по температуре у LFP больше, поэтому риск самовозгорания при равных условиях ниже.

Поведение при КЗ, перезаряде, механической деформации:

• Короткое замыкание (КЗ). У NMC токи и нагрев растут быстрее, без защиты возможен быстрый разгон. LFP из-за более высокого внутреннего сопротивления нагревается мягче, чаще «гаснет» без пламени, но защита все равно обязательна.
• Перезаряд. Для NMC критично уже 4,3—4,5 В/яч. — газовыделение, рост температуры, риск пожара. Номинальный максимум LFP 3,65 В/яч., кратковременно может переносить 3,8—4,0 В, но перезаряд все равно опасен.
• Механическое повреждение. В crush-тестах LFP выдерживал до 200 кН, тогда как NMC при 100 кН уже уходил в разгон; в «гвоздевом» тесте LFP обычно лишь нагревается, NMC часто вспыхивает.

LFP заметно терпимее к авариям (КЗ, перезаряд, удар/прокол) и реже переходит в опасный режим. NMC/NCA требуют более жесткого контроля корпуса, охлаждения, напряжений. Для любой химии BMS обязательна.

Требования к BMS и защите: что критично в каждой химии

Работа в разных температурах

Холод. LFP сильнее теряет ток и емкость: при −20 °C остается 50—60%, при −30 °C — 20—30%. NMC/NCA в те же условия держат 70—80 % при −20 °C и до 50 % при −30 °C. Для пуска при −10…−20 °C LFP часто не хватает тока без подогрева, а NMC работает надежнее.

Жара. Износ ускоряется у всех, но NMC/NCA чувствительнее уже при +40 °C. LFP стабильнее и меньше греется. Типовые пределы: разряд до -20… +60 °C у LFP и NMC/NCA. BMS обычно режет заряд выше +45 °C и разряд выше +55—60 °C.

Заряд ниже 0 °C. Заряжать ниже 0 °C нельзя, BMS должна блокировать заряд. В отдельных системах NMC допускают очень малые токи при −5… 0 °C, но безопаснее прогреть батарею до +5…+10 °C и только потом заряжать.

Хранение. Хранить при 40—60% SoC и +10…+25 °C. Каждые 3—6 мес проверять и подзаряжать.

Токи, мощность и заряд

Нужны очень высокие токи и быстрый заряд — берите NMC/NCA. Нужна стабильная работа на средних C десятки сотен циклов — выбирайте LFP.

Совместимость с зарядниками/инверторами, float/absorption

Для LFP 4S используйте CC/CV до 14,4—14,6 В (3,65 В/яч.) и завершайте заряд при токе 0,05—0,1C; float не нужен, а если его нельзя выключить — ставьте 13,4—13,5 В (95 % SoC) и делайте absorption 10—15 мин. Для NMC/NCA заряжайте до 4,20 В × S (3S = 12,6 В, 7S = 29,4 В, 13S = 54,6 В), float отключайте.

Совместимость с инверторами: 12 В — окно свинца 10,5—14,4 В, поэтому LFP 4S подходит, а 3S NMC часто низковат: 24 В — 8S LFP = 29,2 В и 7S NMC = 29,4 В обычно подходят; 48 В — 16S LFP = 58,4 В требует инвертор с верхом 58 В, 13S NMC = 54,6 В может недозаряжаться.

Итог: для «свинцовых» 12/24/48 В берите LFP с профилем без float и краткой absorption, а для NMC/NCA — верх 4,2 В/яч и отключение по достижении напряжения.

Стоимость, комплектация, сервис

LFP обычно на 10—30% дешевле NMC/NCA при сопоставимом качестве и объеме. LFP не требует кобальта и никеля, а эти металлы дорогие. Железо и фосфат дешевы, доступны, поэтому затраты на производство LFP ниже.

Комплектация системы: 

• BMS и электроника. Цена и состав BMS для LFP 16S и NMC 13S сопоставимы.
• Нагрев в холоде. Для зимней работы LFP обычно добавляют подогрев, что дает +5—10% к стоимости. NMC в стационаре иногда обходится утеплением, но подогрев все равно желателен при морозах.
• Корпус/крепеж. LFP тяжелее и крупнее — потребуется прочнее корпус и крепления. NMC компактнее, что снижает материалы/массу конструкции.
• Сертификация/пожарная безопасность. LFP легче проходит испытания, поэтому издержки ниже. Для NMC нужны огнестойкие отсеки, датчики и вентиляция.
• Доступность компонентов. Рынок LFP доступен для розницы и DIY. Сопоставимые NMC-модули чаще «забронированы» под OEM, поэтому сложнее в закупке.

Итог по системе. У LFP возможны допзатраты на подогрев и механическую часть, у NMC — на пожарную защиту/охлаждение. По совокупной цене владения LFP выходит дешевле, разница 20 % в стоимость/кВт·ч сохраняется также на уровне готовых продуктов.

Гарантия, сроки и циклы. Для LFP типично 10 лет или 6000 циклов до 80 % емкости, а для NMC — 5—7 лет или 3000 циклов.

Электрические конфигурации и совместимость

Зачем смотреть на конфигурации? Номинал одной ячейки складывается в системное напряжение, и от числа последовательно соединенных элементов зависят совместимость с зарядником и инвертором, верхние пороги, безопасность. LFP с ячейкой 3,2 В естественно попадает в стандарты 12/24/48 В, а NMC/NCA с ~3,6—3,7 В требуют другой «лесенки» по ячейкам, а также тщательной проверки верхних напряжений.

12 В свинец: номинал 12,7 В, заряд 14,4 В

LFP 4S = 12,8 В ном, 14,4—14,6 В макс — подходит «как есть». NMC 3S = 11,1 В ном, 12,6 В макс — низко. NMC 4S = 14,8 В ном, 16,8 В макс — слишком высоко. Итог — NMC плохо ложится в стандарт 12 В.

24 В свинец: номинал 25,4 В, макс 28,8 В

LFP 8S = 25,6/29,2 В — отлично. NMC 7S = 25,9/29,4 В — подходит. NMC 6S = 22,2/27,0 В — недозаряд.

48 В свинец: номинал 50,9 В, макс 57,6 В

LFP 16S = 51,2/58,4 В — обычно в допустимых 58—60 В, но проверьте инвертор. NMC 13S = 48,1/54,6 В — низко. NMC 14S = 51,8/58,8 В — близко к пределу, оборудование выдерживает 59—60 В.

Для 12/24/48 систем надежнее LFP (4S/8S/16S). NMC/NCA требует тщательной проверки верхнего напряжения, а также совместимости оборудования.

Чек-лист выбора под вашу задачу

Перед выбором химии определите, что для вас важнее: безопасность, масса и объем, бюджет, ресурс или климат:

1. Безопасность. Если главный приоритет — минимизировать риск пожара, выбирайте LiFePO4: химия стабильнее, менее склонна к разогреву.
2. Масса/объем. Для портативных или транспортных решений берите NMC/NCA. Они дают примерно в 1,5 раза больше энергии на килограмм/литр.
3. Бюджет. При ограниченных затратах выгоднее LFP: ячейки обычно на 10—30% дешевле за кВт·ч, а благодаря ресурсу реже нужна замена.
4. Ресурс, надежность. Нужны тысячи циклов и служба >5 лет при ежедневной работе — берите LFP. NMC при тех же режимах выработает ресурс быстрее.
5. Климат. В холоде (<0 °C) LFP теряет емкость, требует подогрева, NMC переносит мороз лучше. В жаре (до +50—60 °C) LFP стабильнее, а NMC быстрее деградирует.

FAQ

Можно ли смешивать химии в одной системе?

Нет. Используйте одну химию в одном батарейном контуре. Если нужны обе, держите их раздельно и переключайте, а не соединяйте параллельно.

Чем отличаются настройки зарядки для LFP и NMC/NCA?

LFP — максимум 3,65 В/яч., 0,5—1C, без постоянного float. NMC/NCA — максимум 4,20 В/яч., 0,7—1C (быстрый до 2C при контроле температуры). В обоих случаях не заряжайте в мороз.

Что прослужит дольше при 50% DoD ежедневно?

LFP — при DoD 50% (182 цикла в год). NMC обычно держится 8—10 лет до 70—80% емкости. LFP — 15+ лет до сопоставимого уровня. При прочих равных LFP живет дольше.

Какой минимум по температуре для зарядки без подогрева?

0 °C для обеих химий. LFP ниже нуля заряжать нельзя. NMC/NCA тоже лучше не заряжать ниже 0 °C. Отдельные системы допускают −10 °C малыми токами (0,1C), но это вредит ресурсу. Рекомендуется прогреть батарею до +5…+10 °C перед зарядкой. Разряд при морозе обычно допустим до −20 °C.

Заключение

Для стационарных и длительных применений (солнечные накопители, резервное питание, телеком, энергетика) — LiFePO4 лучший выбор. Она обеспечит многолетнюю работу без значимой потери емкости, обладает повышенной безопасностью и экономичностью. Недостатки в виде большего объема несущественны.

Для транспортных и мобильных систем, требующих малый вес (электромобили с большим пробегом, авиация, портативные устройства) — NMC/NCA предпочтительнее. Эти батареи дадут максимальную энергоотдачу на килограмм, что критично для дальности хода или времени работы. Но следует уделить особое внимание системе управления и охлаждения.