Литийионная против Свинцово-Кислотной батареи на электропогрузчики, в чем разница

За последние пару десятилетий мир аккумуляторных технологий колоссально развился. Поэтому сегодня рынок тяговых батарей состоит из совершенно разных источников тока. Все они стремятся дать пользователям ёмкий запас электрической энергии. Однако требования к эксплуатации и обслуживанию, а также безопасность, надёжность, эффективность, доступность и степень воздействия на окружающую среду у них могут значительно различаться. К счастью для владельцев вилочных электропогрузчиков, выбор сводится к двум предпочтительным типам тяговых аккумуляторов: свинцово-кислотному и литий-ионному.

Каждый из них имеет свои особенности, которые сказываются на эксплуатации техники.

Рынок тяговых АКБ для вилочных погрузчиков

Объём мирового рынка аккумуляторов для вилочных погрузчиков оценивался 2023 году в $5,65 млрд. По прогнозам аналитиков, он достигнет $8,40 млрд к 2031 году, демонстрируя среднегодовой темп роста в 5,15% в течение прогнозируемого периода (источник: Kings Research – ведущая фирма по исследованию рынков и консалтингу). Стремительная тенденция спроса на тяговые АКБ обусловлена такими факторами, как:

• повсеместное внедрение электрических вилочных погрузчиков;
• продолжающийся прогресс в аккумуляторных технологиях;
• общемировой тренд по сокращению выбросов СО2.

Литий-ионные батареи являются относительно молодым продуктом, возрастом немногим за 30. Они создали сильную конкуренцию свинцово-кислотным аналогам тягового и пускового назначения. Их отличают такие особенности, как увеличенный срок службы и почти полное отсутствие затрат на обслуживание. Сегодня Li-ion аккумуляторы всё чаще встречаются в технике на электротяге, включая общемировой тренд на производство электрических вилочных погрузчиков.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются традиционными и всё так же широко используются в качестве тяговых батарей. Они более доступны по стоимости в сравнении с Li-ion аналогами, обладают лучшими эксплуатационными характеристиками для работы в суровых климатических условиях. К тому же на рынке появляются более долговечные и эффективные разновидности кислотных АКБ, например AGM и GEL. Последние могут прослужить до 12 лет.

Среди разработчиков и производителей тяговых аккумуляторов доминирует Азиатско-Тихоокеанский регион, поддерживаемый быстро развивающейся современной индустриализацией и наличием крупных промышленных центров.

Строгие экологические нормы, растущая тенденция автоматизации на складах и в распределительных центрах, а также всплеск спроса на электрические транспортные средства трансформируют рыночный ландшафт и задают общемировой темп развития. Китай считается фаворитом по выпуску свинцово-кислотных и литий-ионных батарей в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Например, компания BYD шагает в авангарде аккумуляторной революции.

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор

Традиционные свинцово-кислотные батареи WET (WET Cell Battery – «батареи мокрых ячеек») относятся к более старому классу перезаряжаемых источников энергии, которые были изобретены ещё в 1859 году. Хотя WET имеют наименьшее отношение энергии к весу и наименьшее отношение энергии к объёму среди тяговых АКБ, они способны обеспечить продолжительное время разряда и стабильные характеристики напряжения.

Производительность свинцово-кислотных батарей WET:

• удельная энергия: 35 – 40 Вт-ч/кг
• плотность энергии: 80 – 90 Вт-ч/л
• удельная мощность: 180 Вт/кг

Средний срок службы - около 1500 циклов заряд/разряд при глубине систематического разряда 70-80%. Интервал температуры зарядки - от -35 до +45 °C.
В конструкции кислотных АКБ применяется пористый, или губчатый свинец. Этот тяжёлый металл используется в отрицательном электроде, в то время как положительный электрод состоит из оксида свинца. Электролитом выступает 25–34% водный раствор серной кислоты. Изолятор между двумя электродами чаще всего представляет собой мембрану из стекловолокна. Корпус батареи изготавливается из ударопрочной пластмассы и разделён на отдельные секции, т.н. банки.

Ещё современный рынок предлагает две версии герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов нового типа: AGM и GEL. Первая абсорбированная, а вторая – гелевая. Они пользуются растущим спросом, так как не требуют обслуживания в сравнении с WET.

Таблица 1. Классификация свинцово-кислотных АКБ

DIN – немецкий стандарт Deutsche Industrial Norm (DIN), принятый во всем мире.

Какой свинцово-кислотный аккумулятор лучше?

Герметичные аккумуляторы AGM и GEL считаются самыми безопасными из свинцово-кислотного семейства. Эти батареи доступны в разных форматах. Они не склонны сульфатироваться или деградировать так легко, как АКБ мокрого типа. Именно поэтому они считаются самыми безопасными для использования в вилочных погрузчиках и других видах складской техники.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Батарея Li-ion тоже относится к вторичному классу аккумуляторов, как и WET, AGM или GEL, из-за способности разряжаться и заряжаться повторно. В конструкции используются фосфат и графитовый углерод (катод и анод соответственно). Литий-ионные АКБ термически постоянны, а такой диапазон стабильности очень хорош для более длительного жизненного цикла и улучшенных электрохимических характеристик. Высокая плотность энергии делает этот вид аккумуляторов идеальным для извлечения наибольшей производительности.

Производительность Li-ion АКБ:

• удельная энергия 100-265 Вт-ч/кг
• плотность энергии 250-693 Вт-ч /л
• удельная мощность 250-340 Вт/кг

Литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда и не требуют обслуживания, поэтому становятся всё более популярными на рынке. Средний срок службы - 3000 циклов разряд/заряд при регулярной глубине разряда 50-75%.

Таблица 2. Классификация литий-ионных аккумуляторов

Какой литий-ионный аккумулятор лучше?

Для техники, требующей большого количества энергии, батареи LFP являются наилучшим и наиболее частым вариантом, предпочитаемым производителями и потребителями. Этот тип АКБ обеспечивает длительные рабочие часы погрузчика без подзарядки, более безопасную эксплуатацию и долговечность. В некоторых случаях жизненный цикл такого типа аккумуляторов составляет 4000 циклов или выше.

12 основных различий между свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами

Литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы – это два разных типа накопителя энергии, каждый из которых имеет свои особенности. Их можно сопоставить по весу, стоимости, долговечности, плотности энергии, жизненному циклу и т.д. Такое сравнение даст больше информации об аккумуляторных технологиях, чтобы при рассмотрении вариантов сделать правильный выбор.

1. Плотность энергии

Разница в плотности энергии между свинцово-кислотными (80–90 Вт-ч/л) и литий-ионными аккумуляторами (250–693 Вт-ч/л) говорит о том, что жидкостные АКБ типа WET в разы проигрывают батареям Li-ion. Высокая плотность энергии даёт возможность производить компактные, лёгкие и одновременно мощные аккумуляторы. Это повышает уровень автономности техники без увеличения веса аккумулятора.

2. Скорость саморазряда

Потеря ёмкости (скорость саморазряда) свинцово-кислотного аккумулятора с жидким электролитом достигает 20% в месяц, а GEL или AGM – до 3%. У литий-ионных батарей деградация обычно не превышает 3% в месяц, но! при низких температурах увеличивается в разы. Ускоренный саморазряд может привести к полной разрядке в считанные дни. Чтобы «разбудить» глубоко «заснувшую» Li-ion батарею, придётся вызывать специалиста.

3. Технология

Свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, погружённых в электролит (раствор серной кислоты). Энергия генерируется при взаимодействии пластин с электролитом, а при зарядке реакция идёт в обратном направлении. Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода, катода и полимерного электролита – литиевой соли (LiPF6). Ионы лития перемещаются через электролит, создавая электрический ток.

4. Расходы

Свинцово-кислотные аккумуляторы доступнее по стоимости, но тяжелее и крупнее, что влечёт дополнительные расходы на доставку или обслуживание. Литий-ионные батареи дороже. Но стоимость их обслуживания намного ниже, а срок службы намного выше, благодаря чему они оправдывают расходы на покупку со временем.

5. Обслуживание

Техническое обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторов, по сравнению с литий-ионными, намного сложнее и дороже. Требуется специальная проветриваемая комната и аккумуляторщик. Литий-ионные батареи не требуют обслуживания на протяжении всего срока эксплуатации.

6. Мощность и энергия

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют меньшую плотность энергии, но большую удельную мощность, поэтому могут быстро подавать большой ток. Литий-ионные батареи для погрузчиков хороши в обоих случаях.

7. Зарядка

Свинцово-кислотные АКБ должны быть разряжены до 20% ёмкости перед повторной зарядкой, чтобы избежать сокращения срока службы. Зарядка занимает около 8 часов, и ещё столько же времени требуется на охлаждение. Повысить эффективность помогают интеллектуальные зарядные устройства.

Литий-ионные аккумуляторы погрузчиков заряжаются по возможности, например во время обеденного перерыва или между заданиями. К тому же операторам не нужно разряжать аккумулятор до 20%, чтобы защитить батарею от потери производительности или сокращения срока службы. А ещё литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в выравнивающих зарядах.

8. Напряжение на элемент

В свинцово-кислотных аккумуляторах считается нормальным напряжение на ячейку от 2,25 до 2,27 вольта. Литий-ионный аккумулятор имеет штатное напряжение 3,7 вольта на элемент.

9. Срок службы

Срок службы аккумулятора определяется количеством циклов разрядки и зарядки. Если разряжать батарею несколько раз на 100 % до напряжения 9 В, то можно её окончательно испортить, даже самую современную модель. Т.е. нельзя допускать разряд ниже рекомендованного значения.

Средний срок службы тяговых АКБ:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно служат около 3 лет.
• Литий-ионные батареи выхаживают до 6 лет, в зависимости от условий эксплуатации и применения.

Каждая батарея имеет свою «жизнеспособность», во многом зависящую от режима эксплуатации и разрядной характеристики. Срок службы, обозначенный производителем, является условным, поскольку предполагает идеальный режим работы АКБ.

10. Техническое обслуживание

Уровень жидкости в свинцово-кислотных аккумуляторах необходимо проверять и регулярно доливать. Хорошим выбором являются автоматические системы заполнения водой.

Некоторым предприятиям необходимо иметь запас резервных аккумуляторов для обеспечения бесперебойной работы.

Литий-ионные аккумуляторы не требуют особого ухода, так как им не нужно доливать воду. А вот соединители, кабели и провода могут время от времени требовать ремонта.

11. Вес

Свинцово-кислотная батарея тяжёлая: 70 – 80 кг на кВт/ч полезной ёмкости. Литий-ионный аккумулятор для вилочного погрузчика легче: 10 – 15 кг на кВт/ч полезной ёмкости.

12. Переработка

Почти все материалы свинцово-кислотных и литий-ионных АКБ могут быть переработаны. Поэтому старые и неисправные батареи сдают в специализированные пункты приёма и переработки. Выбрасывать их запрещено.

О вопросах безопасности

Ещё одно большое различие, которое необходимо учитывать компаниям, – это безопасность сотрудников при работе со свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами на погрузчиках. Оба вида тяговых батарей работают на мощных химикатах.

Свинцово-кислотные АКБ изготавливаются из токсичного свинца и серной кислоты, которые являются крайне токсичными для человека при контакте или вдыхании. Эти батареи необходимо еженедельно доливать, что приводит к риску проливания электролита, если это делается неаккуратно. Они выделяют много тепла во время зарядки, поэтому их следует хранить в помещении с контролируемой температурой (что также потребует расходов) и надлежащей системой вентиляции. Вдобавок ко всему они источают взрывоопасный газ, когда достигают пика своего заряда.

Литий-ионные аккумуляторы созданы с использованием одного из самых стабильных химических соединений литий-ионов: литий-железо-фосфат (LFP). Элементы полностью герметичны, поэтому нет риска протечек. Единственный потенциальный риск заключается в том, что полимерный электролит (литиевая соль LiPF6) является огнеопасным, а один химический компонент внутри литиевых аккумуляторов производит едкий газ при контакте с водой. Но поскольку литий-ионные аккумуляторы герметичны, обычно у них не возникает коррозии, сульфатации, проливов кислоты или загрязнения, о которых стоит беспокоиться, что также намного лучше для безопасности сотрудников и окружающей среды.

Что лучше – свинцово-кислотный аккумулятор или литий-ионный?

В большинстве случаев технология литий-ионных аккумуляторов превосходит свинцово-кислотные из-за своей надёжной работы. Они не требуют обслуживания, их средний заряд и производительность в целом лучше, чем у свинцово-кислотных аналогов. Но цена такого продукта выше.
С точки зрения разряда производительность литий-ионных аккумуляторов намного лучше, чем свинцово-кислотных аналогов. Комплексная скорость деградации и срок службы, материалы и другие эксплуатационные характеристики у Li-ion АКБ более доминирующие.

Таблица № 3. Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

Таблица 4. Преимущества и недостатки литий-ионного аккумулятора

Можно ли заменить свинцово-кислотный аккумулятор на литий-ионный?

Да, свинцово-кислотный аккумулятор можно заменить на литий-ионный. Но есть несколько важных моментов, о которых необходимо знать. Во-первых, напряжение новой батареи должно быть таким же, как у заменяемой. Во-вторых, после замены не используйте старое зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов для зарядки литий-ионных. В целях безопасности применяйте ЗУ для Li-ion АКБ, в противном случае это приведёт к повреждению накопителя энергии или зарядного устройства. В-третьих, правильно разместите литиевую АКБ в ячейке погрузчика, чтобы избежать смещения центра тяжести из-за её более компактного размера.

Критерии выбора

Лучший тип аккумулятора для вилочного погрузчика обуславливается эксплуатационной средой. Литий-ионные батареи не требуют обслуживания, отличаются высокой скоростью зарядки, обладают длительным сроком службы, но претендуют на более значительную по времени окупаемость инвестиций. В это же время свинцово-кислотные аккумуляторы более доступны по цене и достаточно эффективны, особенно если вам нужно использовать их только изредка.

Ещё несколько факторов, которые могут помочь принять решение:

Повседневная работа. Литий-ионные технологии станут практичней, если вы эксплуатируете сразу несколько погрузчиков в 2-3 смены. Свинцово-кислотные аккумуляторы будут интереснее, если погрузчики используются время от времени, а не в рамках повседневной работы. А ещё они эффективнее зимой, поскольку не боятся морозов, как литий-ионные.

Требования к обслуживанию. Кислотные аккумуляторы требуют профессионального обслуживания и длительного времени зарядки/охлаждения. Поэтому вам понадобится обученный персонал, чтобы максимально использовать срок службы АКБ. Если у вас нет аккумуляторщика и надлежащего оборудования для еженедельного обслуживания кислотных АКБ, лучше выбрать литий-ионный тип батарей.  

Эксплуатационные условия. Обратите внимание на часы работы погрузчика, ежедневные расстояния и пробег, вес груза и типичную высоту подъёма, а также температуру окружающей среды. Это поможет выбрать аккумулятор, наиболее соответствующий потребностям и целям производства. Например, в Сибири предпочитают электропогрузчики с кислотными АКБ.

Цитата: «На всех машинах стоят свинцово-кислотные батареи. Средняя ёмкость 700 Ah. Мы тщательно следим за их состоянием. У нас есть свой аккумуляторщик. Он мониторит ёмкость элементов, доливает дистиллят, меняет вышедшие из строя банки, проводит выравнивающие заряды и т.д. Благодаря его внимательному отношению каждая батарея служит нам не меньше 5 лет» (Начальник складского хозяйства компании «Водолей» Евгений Смертин, Красноярск. Источник: Журнал о технике Raum.pro).

Заключение

Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы наиболее часто ставят на вилочные электропогрузчики. Оба вида АКБ имеют свои особенности. Поэтому при выборе батареи необходимо учитывать множество факторов: от эксплуатационных условий для техники до оборудованной аккумуляторной комнаты на предприятии.