Bateria litowo-żelazowo-fosforanowa - Lithium iron phosphate battery

Baterii fosforan litu-żelaza ( LiFePO
₄bateria ) lub bateria LFP ( żelazofosforan litu ), to rodzaj baterii litowo-jonowej wykorzystującej fosforan litowo-żelazowy ( LiFePO
₄) jako materiał katodowy oraz grafitowa elektroda węglowa z metalowym podkładem jako anoda . Gęstość energii od LiFePO
₄jest niższy niż tlenek kobaltu litu ( LiCoO
₂), a także ma niższe napięcie robocze . Profile ładowania i rozładowania ogniw LFP są zazwyczaj bardzo płaskie. Główna wada LiFePO
₄jest jego niska przewodność elektryczna . Dlatego wszystkie LiFePO
₄rozważane katody to w rzeczywistości LiFePO
₄/C (kompozyt wykonany z węgla). Ze względu na niski koszt, niską toksyczność, dobrze zdefiniowaną wydajność, długoterminową stabilność itp. LiFePO
₄znajduje szereg ról w użytkowaniu pojazdów , zastosowaniach stacjonarnych w skali użytkowej i zasilaniu awaryjnym . Akumulatory LFP nie zawierają kobaltu.

Historia

LiFePO
₄to naturalny minerał z rodziny oliwinów ( trifilit ). Arumugam Manthiram i John B. Goodenough po raz pierwszy zidentyfikowali klasę polianionów materiałów katodowych do akumulatorów litowo-jonowych . LiFePO
₄został następnie zidentyfikowany jako materiał katodowy należący do klasy polianionów do stosowania w bateriach w 1996 roku przez Padhi et al. Odwracalna ekstrakcja litu z LiFePO
₄i wstawianie litu do FePO
₄został zademonstrowany. Ze względu na niski koszt, nietoksyczność, naturalną obfitość żelaza , doskonałą stabilność termiczną, właściwości bezpieczeństwa, parametry elektrochemiczne i pojemność właściwą (170  mA·h / g lub 610  C / g ) zyskał znaczną akceptację rynkową .

Główną barierą komercjalizacji była jego samoistnie niska przewodność elektryczna . Ten problem został rozwiązany poprzez zmniejszenie wielkości cząstek, powlekając LiFePO
₄cząstki z materiałami przewodzącymi, takimi jak nanorurki węglowe lub jedno i drugie. To podejście zostało opracowane przez Michela Armanda i jego współpracowników. Inne podejście grupy Yet Ming Chiang polegało na domieszkowaniu LFP kationami materiałów takich jak aluminium , niob i cyrkon .

MIT wprowadził nową powłokę, która umożliwia łatwiejsze poruszanie się jonów w akumulatorze. „Beltway Battery” wykorzystuje system obejściowy, który pozwala jonom litu wnikać i opuszczać elektrody z prędkością wystarczającą do pełnego naładowania akumulatora w niecałą minutę. Naukowcy odkryli, że poprzez powlekanie cząstek fosforanu litowo-żelazowego szklistym materiałem zwanym pirofosforanem litu jony omijają kanały i poruszają się szybciej niż w innych akumulatorach. Akumulatory gromadzą i rozładowują energię, gdy naładowane atomy (jony) są przemieszczane między dwiema elektrodami, anodą i katodą. Ich szybkość ładowania i rozładowania jest ograniczona przez prędkość, z jaką te jony się poruszają. Taka technologia mogłaby zmniejszyć wagę i rozmiar baterii. Opracowano małe prototypowe ogniwo akumulatorowe, które może naładować się w pełni w ciągu 10 do 20 sekund, w porównaniu z sześcioma minutami w przypadku standardowych ogniw akumulatorowych.

Elektrody ujemne (anoda, przy wyładowaniu) wykonane z koksu naftowego były stosowane we wczesnych akumulatorach litowo-jonowych; późniejsze typy wykorzystywały grafit naturalny lub syntetyczny.

Specyfikacje

Wiele ogniw litowo- żelazowo -fosforanowych jest połączonych szeregowo i równolegle, tworząc akumulator 2800 Ah 52 V. Całkowita pojemność baterii to 145,6 kWh. Zwróć uwagę na dużą, solidną szynę zbiorczą z ocynowanej miedzi, łączącą ze sobą ogniwa. Ta szyna zbiorcza jest przystosowana do 700 A DC, aby pomieścić wysokie prądy generowane w systemie 48 V DC.

Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe, każde 700 Ah Amp Hours 3,25 V. Dwa ogniwa są połączone równolegle, tworząc pojedynczy akumulator 3,25V 1400Ah o pojemności 4,55 kWh.

• Napięcie ogniwa
  • Minimalne napięcie rozładowania = 2,5 V
  • Napięcie robocze = 3,0 ~ 3,2 V
  • Maksymalne napięcie ładowania = 3,65 V
• Objętościowa gęstość energii = 220  Wh / L (790 kJ/L)
• Grawimetryczna gęstość energii > 90 Wh/kg (> 320 J/g). Do 160 Wh/kg (580 J/g).
• 100% cykl życia DOD (liczba cykli do 80% pierwotnej pojemności) = 2000–7000
• Żywotność cyklu DOD 10% (liczba cykli do 80% oryginalnej pojemności) > 10 000
• Skład katody (waga)
  • 90% C-LiFePO ₄ , klasa Phos-Dev-12
  • 5% węgla EBN-10-10 (najlepszy grafit)
  • 5% polifluorek winylidenu (PVDF)
• Konfiguracja komórki
  • Odbiornik prądu z aluminium powlekanego węglem 15
  • 1.54 cm ² katodowe
  • Elektrolit : węglan etylenu – węglan dimetylu (EC-DMC) 1–1 nadchloran litu ( LiClO
    ₄) 1M
  • Anoda : grafit lub twardy węgiel z interkalowanym metalicznym litem
• Eksperymentalne warunki:
  • Temperatura pokojowa
  • Granice napięcia: 2,0–3,65 V
  • Ładowanie: do szybkości C/1 do 3,6 V, następnie stałe napięcie przy 3,6 V do I < C/24
• Wykres napięcia i pozostała pojemność ładowania:
  • Zobacz tabelę po prawej stronie oznaczoną - „ Wykres procentowy napięcia LiFePO ₄ do pozostałej pojemności”
    

    Wykres procentowy napięcia LiFePO ₄ do pozostałej pojemności
• Według jednego z producentów akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe w samochodzie elektrycznym na stacji szybkiego ładowania można naładować do 80% w ciągu 15 minut, a do 100% w ciągu 40 minut.

Zalety i wady

LiFePO
₄bateria wykorzystuje chemię litowo-jonową i ma wiele zalet i wad z innymi chemikaliami baterii litowo-jonowych. Istnieją jednak znaczne różnice.

Bardziej obfite składniki o mniejszym wpływie na ludzi i środowisko

LFP nie zawierają ani niklu, ani kobaltu , które są ograniczone podażą i drogie. Podobnie jak w przypadku litu, w związku ze stosowaniem kobaltu podniesiono kwestie praw człowieka i ochrony środowiska.

Cena

W 2020 r. najniższe zgłoszone ceny ogniw wyniosły 80 USD/kWh (12,5 Wh/USD).

Lepsza charakterystyka starzenia i cyklu życia

Chemia LFP oferuje dłuższy cykl życia niż inne podejścia litowo-jonowe.

LiFePO
₄ogniwa doświadczają wolniejszego tempa utraty pojemności (czyli dłuższej żywotności kalendarzowej ) niż baterie litowo-jonowe, takie jak kobalt ( LiCoO
₂) lub spinel manganowy ( LiMn
₂O
₄) akumulatory litowo-jonowo-polimerowe (akumulator LiPo) lub akumulatory litowo-jonowe . Po roku na półce LiCoO
₂komórka zazwyczaj ma w przybliżeniu taką samą gęstość energii jak LiFePO
₄ komórki, ze względu na wolniejszy spadek gęstości energii LFP.

Realna alternatywa dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Ze względu na nominalną moc wyjściową 3,2 V, cztery ogniwa mogą być połączone szeregowo dla napięcia znamionowego 12,8 V. Jest to zbliżone do napięcia znamionowego sześcioogniwowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych . Wraz z dobrymi charakterystykami bezpieczeństwa akumulatorów LFP, sprawia to, że LFP jest dobrym potencjalnym zamiennikiem akumulatorów kwasowo-ołowiowych w zastosowaniach takich jak motoryzacja i energia słoneczna, pod warunkiem, że systemy ładowania są przystosowane do nie uszkadzania ogniw LFP przez nadmierne napięcia ładowania (powyżej 3,6 woltów prądu stałego na ogniwo podczas ładowania), kompensacja napięcia na podstawie temperatury, próby wyrównania lub ciągłe ładowanie podtrzymujące . Ogniwa LFP muszą być przynajmniej wstępnie zbalansowane przed złożeniem pakietu, a także należy wdrożyć system ochronny, aby zapewnić, że żadne ogniwo nie zostanie rozładowane poniżej napięcia 2,5 V, w przeciwnym razie w większości przypadków nastąpi poważne uszkodzenie.

Wysokie wartości szczytowe prądu/mocy

LiFePO
₄ma wyższe wartości prądu lub mocy szczytowej niż tlenek litowo-kobaltowy LiCoO
₂.

Bezpieczeństwo

Ważną zaletą w porównaniu z innymi chemikaliami litowo-jonowymi jest stabilność termiczna i chemiczna, która poprawia bezpieczeństwo baterii. LiFePO
₄jest iskrobezpiecznym materiałem katodowym niż LiCoO
₂i dwutlenek manganu spinele przez pominięcie kobaltu , z ujemnym współczynnikiem temperaturowym od oporu , która może sprzyjać niestabilności cieplnej . PO wiązanie w (PO
₄)^3-
jon jest silniejszy niż wiązanie Co – O w (CoO
₂)⁻
jon, dzięki czemu przy nadużyciu ( zwarcie , przegrzanie itp.) atomy tlenu uwalniają się wolniej. Ta stabilizacja energii redoks promuje również szybszą migrację jonów.

Gdy lit migruje z katody w LiCoO
₂komórka, CoO
₂ulega nieliniowej ekspansji, która wpływa na integralność strukturalną komórki. W pełni litowane i nielitowane stany LiFePO
₄są strukturalnie podobne, co oznacza, że LiFePO
₄komórki są bardziej stabilne strukturalnie niż LiCoO
₂ komórki.

Żaden lit nie pozostaje w katodzie w pełni naładowanego LiFePO
₄komórka. (W LiCoO
₂ogniwo, około 50% pozostaje.) LiFePO
₄jest wysoce odporny na utratę tlenu, co zwykle powoduje reakcję egzotermiczną w innych ogniwach litowych. W rezultacie LiFePO
₄ogniwa są trudniejsze do zapalenia w przypadku niewłaściwej obsługi (zwłaszcza podczas ładowania). LiFePO
₄bateria nie rozkłada się w wysokich temperaturach.

Niższa gęstość energii

Gęstość energii (energia / objętość) nowej baterii LFP jest około 14% mniejsza niż w przypadku nowego LiCoO
₂bateria. Ponadto wiele marek LFP, a także ogniwa w ramach danej marki akumulatorów LFP, mają niższy współczynnik rozładowania niż kwasowo-ołowiowe lub LiCoO
₂. Ponieważ szybkość rozładowania jest procentem pojemności baterii, wyższą szybkość można osiągnąć, używając większej baterii (więcej amperogodzin ), jeśli konieczne jest użycie baterii niskoprądowych. Jeszcze lepiej, wysokoprądowe ogniwo LFP (które będzie miało wyższy współczynnik rozładowania niż kwas ołowiowy lub LiCoO
₂ akumulator o tej samej pojemności).

Zastosowania

Magazynowanie energii w domu

Większość domowych akumulatorów „litowych” wykorzystuje chemię LFP ze względu na koszty i bezpieczeństwo przeciwpożarowe. Niższa gęstość energii niż w przypadku innych chemikaliów litu nie ma znaczenia w tej statycznej aplikacji. W 2021 r. było wielu dostawców: SonnenBatterie, Cyclendo, Enphase , Moixa, BYD, Givenergy, Lyth Energy Technology, Alpha-ESS, Puredrive, Saft, LithiumWerks, a na rozwijającym się rynku regularnie pojawia się coraz więcej.

Transport

Wyższe szybkości rozładowania potrzebne do przyspieszenia, niższa waga i dłuższa żywotność sprawiają, że ten typ akumulatora jest idealny do wózków widłowych, rowerów i samochodów elektrycznych. Akumulatory 12V LiFePO ₄ zyskują również na popularności jako drugi akumulator (domowy) do przyczepy kempingowej, kampera lub łodzi.

Tesla Motors używa obecnie akumulatorów LFP w niektórych pojazdach, w tym produkowanych w Chinach Standard Range Models 3 i Y oraz niektórych modelach 3 w Stanach Zjednoczonych od około sierpnia 2021 roku.

Systemy oświetleniowe zasilane energią słoneczną

Pojedyncze ogniwa LFP "14500" (rozmiar baterii AA ) są teraz używane w niektórych oświetleniu krajobrazowym zasilanym energią słoneczną zamiast 1,2 V NiCd / NiMH .

Wyższe (3,2 V) napięcie robocze LFP pozwala jednej komórce sterować diodą LED bez obwodów elektrycznych w celu zwiększenia napięcia. Jego zwiększona tolerancja na umiarkowane przeładowanie (w porównaniu do innych typów ogniw Li) oznacza, że LiFePO
₄można podłączyć do ogniw fotowoltaicznych bez obwodów, aby zatrzymać cykl ładowania. Możliwość napędzania diody LED z pojedynczej komórki LFP pozwala również ominąć uchwyty baterii, a tym samym problemy z korozją, kondensacją i zabrudzeniami związanymi z produktami wykorzystującymi wiele wymiennych akumulatorów.

Do 2013 roku pojawiły się lepsze, ładowane energią słoneczną, pasywne lampy bezpieczeństwa na podczerwień. Ponieważ ogniwa LFP wielkości AA mają pojemność zaledwie 600 mAh (podczas gdy jasna dioda LED lampy może pobierać 60 mA), jednostki świecą maksymalnie przez 10 godzin. Jeśli jednak wyzwalanie jest sporadyczne, takie jednostki mogą być zadowalające nawet przy słabym nasłonecznieniu, ponieważ elektronika lampy zapewnia prądy spoczynkowe poniżej 1 mA po zmroku.

Inne zastosowania

Wiele domowych konwersji EV wykorzystuje wersje wielkoformatowe jako pakiet trakcyjny samochodu. Dzięki korzystnemu stosunkowi mocy do masy, wysokim funkcjom bezpieczeństwa i odporności chemii na niestabilną temperaturę, istnieje niewiele barier dla amatorów domowych „producentów”. Samochody kempingowe są często konwertowane na fosforan litowo-żelazowy ze względu na wysoki ciąg.

Niektóre papierosy elektroniczne używają tego typu baterii. Inne zastosowania obejmują latarki, modele sterowane radiowo , przenośne urządzenia z napędem silnikowym, amatorskie urządzenia radiowe, przemysłowe systemy czujników i oświetlenie awaryjne .

Zobacz też

Bibliografia