Введение: важны внутренние качества

Батареи в некотором смысле похожи на людей: они бывают разных форм и цветов, но в конечном итоге важны их внутренние качества. Со временем было разработано множество концепций батарей, использующих различные комбинации материалов для анода, катода, электролита и сепаратора.

В настоящее время для хранения солнечной энергии в основном используются две технологии:

• Литий-ионные батареи (LIB)
• Свинцово-кислотные батареи (BSB)

Обе концепции предлагают преимущества и недостатки для использования в солнечных установках. Какая батарея подходит для какой установки, вы узнаете в этой статье.

Литий-ионные батареи: современный стандарт

Для современной техники литий-ионные батареи незаменимы. Будь то смартфон, электрическая зубная щетка или электромобиль – этот тип батареи широко распространен и все больше вытесняет свинцовые батареи.

Принцип работы

Принцип работы отличается от гальванического элемента лишь составом материалов. Как следует из названия, в электродах содержится литий.

Важное различие:

• Литий-ионные батареи: Литий в виде кислородного соединения (литиевые оксиды) – перезаряжаемые
• Литий-металлические батареи: Чистый металлический литий – неперезаряжаемые

Различные катодные материалы

То, как именно литий внедряется в электроды, зависит от химического состава батареи. Обычно литиевые соединения находятся в катодах. Существуют различные составы катодов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

Тип	Обозначение	Свойства
LFP	Литий-железо-фосфат	Более длительный срок службы, безопаснее, экологичнее
NMC	Никель-марганец-кобальт	Высокая энергоемкость, но дороже
LCO	Литий-кобальт	Высокая энергоемкость, менее безопасно

Рекомендация для солнечных установок: LFP-ячейки предлагают наилучший компромисс между производительностью и устойчивостью.

Преимущества литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи стали ведущей технологией – и не без оснований. Их высокая энергоемкость позволяет создавать компактные накопители с большой емкостью. КПД составляет впечатляющие 90–95%, а срок службы достигает 5 000–10 000 циклов зарядки. Особенно удобно: глубина разряда может составлять 80–100%, отсутствует эффект памяти (частичная зарядка не проблема), и ячейки не требуют обслуживания. Также возможна быстрая зарядка с высокими C-скоростями.

Недостатки литий-ионных батарей

Стоимость приобретения составляет 150–300 €/кВтч, что выше, хотя цены постоянно снижаются. Они чувствительны к экстремальным температурам (оптимально: 15–25°C), и при повреждении или перезарядке существует риск возгорания, который минимален в случае LFP-ячей. Переработка сложнее, чем у свинца.

Свинцово-кислотные батареи: проверенная классика

Свинцово-кислотная батарея значительно старше литий-ионных концепций. Она использовалась еще в XIX веке и до сих пор встречается во многих приложениях – наиболее известна как стартерная батарея в автомобиле.

Строение и принцип работы

BSB работает в принципе как любая другая батарея, но состоит из:

• Свинцовых пластин (анод, чистый свинец)
• Пластин из оксида свинца (катод)
• Смеси воды и серной кислоты (электролит)

Преимущества свинцово-кислотных батарей

Несмотря на то, что свинцово-кислотные батареи старше, они имеют свои преимущества. Главный плюс – это низкая стоимость приобретения всего 80–150 €/кВтч. Технология проверена более 150 лет, устойчива к температурным колебаниям, и переработка осуществляется с почти 100% коэффициентом переработки. Кроме того, свинцово-кислотные батареи доступны повсеместно.

Недостатки свинцово-кислотных батарей

Недостатки объясняют, почему технология постепенно вытесняется. Низкая энергоемкость означает тяжелые, объемные батареи. Срок службы составляет всего 500–1 500 циклов зарядки, что значительно меньше, чем у литий-ионных. Глубина разряда не должна превышать 50%, чтобы сохранить батарею. Открытые типы требуют регулярного долива дистиллированной воды. КПД составляет всего 80–85%, и выделение газов требует хорошей вентиляции.

Прямое сравнение

Чтобы облегчить выбор, мы сравниваем обе технологии напрямую. Таблица показывает основные различия на первый взгляд:

Критерий	Литий-ионные	Свинцово-кислотные
Энергоемкость	150–200 Втч/кг	30–50 Втч/кг
КПД	90–95%	80–85%
Срок службы	5 000–10 000 циклов	500–1 500 циклов
Глубина разряда	80–100%	50%
Стоимость/кВтч	150–300 €	80–150 €
Стоимость/цикл	0,03–0,06 €	0,05–0,30 €
Обслуживание	Не требует	Регулярное
Вес	Легкие	Тяжелые

Вывод: Хотя свинцово-кислотные батареи дешевле в приобретении, литий-ионные батареи часто более экономичны в долгосрочной перспективе благодаря более длительному сроку службы.

Правила расчета размеров

Прежде чем выбрать батарею, необходимо определить правильный размер:

Правило 1: Относительно пиковой мощности

На каждый установленный кВт пиковой мощности должно приходиться 0,9–1,6-кратное количество кВтч емкости.

Это правило ориентируется на установленную мощность модулей и дает хороший начальный ориентир для определения размеров накопителя:

Размер установки	Рекомендуемая емкость
5 кВт	4,5 – 8 кВтч
8 кВт	7,2 – 12,8 кВтч
10 кВт	9 – 16 кВтч

Правило 2: Относительно годового потребления

Емкость должна составлять около 60% от ежедневного потребления электроэнергии.

Эта альтернатива ориентируется на фактическое потребление домохозяйства и особенно полезна, если имеются данные о потреблении:

Годовое потребление	Ежедневное потребление	Рекомендуемая емкость
3 000 кВтч	8,2 кВтч	~5 кВтч
5 000 кВтч	13,7 кВтч	~8 кВтч
7 000 кВтч	19,2 кВтч	~12 кВтч

Когда стоит выбрать ту или иную технологию?

Свинцово-кислотная батарея рекомендуется при:

• Маленьких установках до 5 кВт
• Балконных электростанциях с ограниченным пространством
• Ограниченном бюджете
• Автономных приложениях (автодом, дача)
• Низких требованиях к циклам зарядки

Пример: При 5 кВт вам потребуется минимум 4,5 кВтч емкости. В этом диапазоне преимущество в стоимости свинцово-кислотной батареи перевешивает.

Литий-ионная батарея рекомендуется при:

• Средних и больших установках от 5 кВт
• Односемейных домах с 2–4 людьми
• Высоком ежедневном потреблении
• Ограниченном пространстве
• Долгосрочном использовании (планируется 10+ лет)
• Комбинации с тепловым насосом или электромобилем

Пример: При 10 кВт и минимальной емкости 9 кВтч литий-ионная батарея является лучшим выбором – компактная, долговечная и без необходимости в обслуживании.

Особый случай: LFP против NMC против LCO

Если вы выбрали литий-ионные батареи, возникает вопрос о химии ячеек. Три наиболее распространенные варианты значительно различаются по своим свойствам:

Критерий	LFP	NMC	LCO
Энергоемкость	Средняя	Высокая	Высокая
Безопасность	Очень высокая	Средняя	Низкая
Срок службы	Очень высокая	Средняя	Низкая
Стоимость	Средняя	Высокая	Высокая
Температурная стабильность	Очень хорошая	Хорошая	Средняя
Рекомендация	Домашние накопители	Электромобильность	Электроника

Явный победитель для солнечных установок: LFP-ячейки – они предлагают лучшую комбинацию безопасности, срока службы и стоимости.

Заключение

В следующей статье вы узнаете, как Силовая электроника: инверторы и DC-DC преобразователи делают постоянный ток батареи пригодным для использования в вашей домашней сети.

---

Другие части серии

Вас интересуют накопители энергии? Здесь вы найдете все статьи:

• Основы: От лягушачьих лапок до батарей – Как работает накопитель энергии
• Сравнение технологий: Литий против свинца ← Вы здесь
• Преобразование тока: Силовая электроника объяснена – Инверторы и DC-DC преобразователи
• Интеграция: Гибридные инверторы – Все в одном устройстве
• Концепции установок: AC или DC? – Выбор правильной топологии системы

Источники

• Батарейный форум Германии: Литий-ионные батареи
• DKE: Компендий по литий-ионным батареям
• Springer Professional: LFP-ячейки
• PowerTech Systems: Литий-ион против свинца
• Energieheld: Стоимость солнечной установки