La batería de fosfato de hierro y litio ( LiFePO
4batería ) o batería LFP ( ferrofosfato de litio ), es un tipo de batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio ( LiFePO
4) como material del cátodo , y un electrodo de carbono grafítico con un respaldo metálico como ánodo . La densidad de energía de LiFePO
4es más baja que la del óxido de cobalto y litio ( LiCoO
2), y también tiene un voltaje de funcionamiento más bajo . El principal inconveniente de LiFePO
4es su baja conductividad eléctrica . Por lo tanto, todos los LiFePO
4los cátodos en consideración son en realidad LiFePO
4/C. [5] Debido a su bajo costo, baja toxicidad, desempeño bien definido, estabilidad a largo plazo, etc. LiFePO
4está encontrando una serie de funciones en el uso de vehículos , aplicaciones estacionarias a escala de servicios públicos y energía de respaldo . [6] Las baterías LFP no contienen cobalto. [7]
Energía específica | 90–160 Wh / kg (320–580 J / go kJ / kg) [1] |
---|---|
Densidad de energia | 325 Wh / L (1200 kJ / L) [1] |
Poder especifico | alrededor de 200 W / kg [2] |
Energía / precio al consumidor | 3,0–24 Wh / USD [3] |
Durabilidad del tiempo | > 10 años |
Durabilidad del ciclo | 2000-12000 [4] ciclos |
Voltaje nominal de la celda | 3,2 V |
Historia
LiFePO
4es un mineral natural de la familia del olivino ( tripilita ). Arumugam Manthiram y John B. Goodenough identificaron por primera vez la clase de polianiones de materiales de cátodos para baterías de iones de litio . [8] [9] [10] LiFePO
4luego fue identificado como un material catódico perteneciente a la clase de polianiones para su uso en baterías en 1996 por Padhi et al. [11] [12] Extracción reversible de litio de LiFePO
4e inserción de litio en FePO
4fue demostrado. Debido a su bajo costo, no toxicidad, la abundancia natural de hierro , su excelente estabilidad térmica, características de seguridad, desempeño electroquímico y capacidad específica (170 mA · h / go 610 C / g ), ha ganado una considerable aceptación en el mercado. . [13] [14]
La principal barrera para la comercialización fue su conductividad eléctrica intrínsecamente baja . Este problema se superó reduciendo el tamaño de las partículas, recubriendo el LiFePO
4partículas con materiales conductores como nanotubos de carbono , [15] [16] o ambos. Este enfoque fue desarrollado por Michel Armand y sus compañeros de trabajo. [17] Otro enfoque del grupo de Yet Ming Chiang consistió en dopaje [13] LFP con cationes de materiales como aluminio , niobio y circonio .
MIT introdujo un nuevo recubrimiento que permite que los iones se muevan más fácilmente dentro de la batería. La "Batería Beltway" utiliza un sistema de derivación que permite que los iones de litio entren y salgan de los electrodos a una velocidad lo suficientemente grande como para cargar completamente una batería en menos de un minuto. Los científicos descubrieron que al recubrir las partículas de fosfato de hierro y litio con un material vítreo llamado pirofosfato de litio , los iones eluden los canales y se mueven más rápido que en otras baterías. Las baterías recargables almacenan y descargan energía a medida que los átomos cargados (iones) se mueven entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo. Su tasa de carga y descarga está restringida por la velocidad con la que se mueven estos iones. Esta tecnología podría reducir el peso y el tamaño de las baterías. Se ha desarrollado un pequeño prototipo de celda de batería que puede cargarse completamente en 10 a 20 segundos, en comparación con los seis minutos de las celdas de batería estándar. [18]
Los electrodos negativos (ánodo, en descarga) hechos de coque de petróleo se utilizaron en las primeras baterías de iones de litio; tipos posteriores utilizaron grafito natural o sintético. [19]
Ventajas y desventajas
El LiFePO
4La batería utiliza una química derivada de iones de litio y comparte muchas ventajas y desventajas con otras químicas de baterías de iones de litio. Sin embargo, existen diferencias significativas.
Los LFP no contienen níquel [20] ni cobalto , los cuales son caros y con limitaciones de oferta. Se han planteado preocupaciones de derechos humanos con respecto al uso de cobalto extraído en baterías para energía distribuida, almacenamiento doméstico y vehículos eléctricos. [21]
La química de LFP ofrece un ciclo de vida más largo que otros enfoques de iones de litio. [22]
Debido a la salida nominal de 3,2 V, se pueden colocar cuatro celdas en serie para un voltaje nominal de 12,8 V. Esto se acerca al voltaje nominal de las baterías de plomo-ácido de seis celdas . Junto con las buenas características de seguridad de las baterías LFP, esto hace que LFP sea un buen reemplazo potencial para las baterías de plomo-ácido en aplicaciones tales como aplicaciones automotrices y solares, siempre que los sistemas de carga estén adaptados para no dañar las celdas LFP debido a voltajes de carga excesivos (más allá de 3.6 voltios CC por celda mientras está bajo carga), compensación de voltaje basada en la temperatura, intentos de ecualización o carga lenta continua . Las celdas LFP deben estar al menos equilibradas inicialmente antes de ensamblar el paquete y también se debe implementar un sistema de protección para garantizar que ninguna celda pueda descargarse por debajo de un voltaje de 2,5 V o se producirán daños graves en la mayoría de los casos. [ cita requerida ]
El uso de fosfatos evita el costo del cobalto y las preocupaciones ambientales, en particular las preocupaciones sobre la entrada de cobalto al medio ambiente a través de una eliminación inadecuada. [22]
LiFePO
4tiene clasificaciones de corriente o potencia máxima más altas que el óxido de cobalto de litio LiCoO
2. [23]
La densidad de energía (energía / volumen) de una batería LFP nueva es un 14% más baja que la de una batería LiCoO nueva .
2batería. [24] Además, muchas marcas de LFP, así como las celdas de una marca determinada de baterías LFP, tienen una tasa de descarga más baja que la de plomo-ácido o LiCoO.
2. [ cita requerida ] Dado que la tasa de descarga es un porcentaje de la capacidad de la batería, se puede lograr una tasa más alta usando una batería más grande (más amperios hora ) si se deben usar baterías de baja corriente. Mejor aún, una celda LFP de alta corriente (que tendrá una tasa de descarga más alta que una de plomo-ácido o LiCoO
2 batería de la misma capacidad).
LiFePO
4Las células experimentan una tasa más lenta de pérdida de capacidad (también conocida como mayor vida útil ) que las químicas de las baterías de iones de litio como el cobalto ( LiCoO
2) o espinela de manganeso ( LiMn
2O
4) baterías de polímero de iones de litio (batería LiPo) o baterías de iones de litio . [25] Después de un año en el estante, un LiCoO
2La celda normalmente tiene aproximadamente la misma densidad de energía que una LiFePO.
4celular, debido a la disminución más lenta de la densidad de energía de LFP. [ cita requerida ]
Precio
En 2020, los precios de celda más bajos reportados fueron $ 80 / kWh. [26]
Seguridad
Una ventaja importante sobre otras químicas de iones de litio es la estabilidad térmica y química, que mejora la seguridad de la batería. [22] LiFePO
4es un material de cátodo intrínsecamente más seguro que el LiCoO
2y espinelas de dióxido de manganeso por omisión del cobalto , con su coeficiente de resistencia a la temperatura negativa que puede favorecer el descontrol térmico . El enlace P - O en el (PO4)3−ion es más fuerte que el enlace Co - O en el (CoO
2)-
ion, de modo que cuando se abusa ( cortocircuito , sobrecalentamiento , etc.), los átomos de oxígeno se liberan más lentamente. Esta estabilización de las energías redox también promueve una migración de iones más rápida. [27]
A medida que el litio sale del cátodo en un LiCoO
2celda, el CoO
2sufre una expansión no lineal que afecta la integridad estructural de la celda. Los estados totalmente litiado y unlithiated de LiFePO
4son estructuralmente similares, lo que significa que LiFePO
4las células son estructuralmente más estables que LiCoO
2células. [ cita requerida ]
No queda litio en el cátodo de un LiFePO completamente cargado
4célula. (En un LiCoO
2celda, queda aproximadamente el 50%.) LiFePO
4es muy resistente durante la pérdida de oxígeno, lo que típicamente resulta en una reacción exotérmica en otras celdas de litio. [14] Como resultado, LiFePO
4las celdas son más difíciles de encender en caso de mal manejo (especialmente durante la carga). El LiFePO
4la batería no se descompone a altas temperaturas. [22]
Especificaciones
- Voltaje de la celda
- Voltaje mínimo de descarga = 2,5 V [28]
- Voltaje de funcionamiento = 3,0 ~ 3,2 V
- Voltaje de carga máximo = 3,65 V [29]
- Densidad de energía volumétrica = 220 Wh / L (790 kJ / L)
- Densidad de energía gravimétrica> 90 Wh / kg [30] (> 320 J / g). Hasta 160 Wh / kg [1] (580 J / g).
- Ciclo de vida del 100% del DOD (número de ciclos hasta el 80% de la capacidad original) = 2000–7000 [31]
- 10% de vida útil del ciclo DOD (número de ciclos hasta el 80% de la capacidad original)> 10,000 [32]
- Composición del cátodo (peso)
- 90% C-LiFePO 4 , grado Phos-Dev-12
- 5% de carbono EBN-10-10 (grafito superior)
- 5% de fluoruro de polivinilideno (PVDF)
- Configuración de celda
- Colector de corriente de aluminio revestido de carbono 15
- 1,54 cm 2 catódicos
- Electrolito : carbonato de etileno - carbonato de dimetilo (EC – DMC) 1–1 perclorato de litio ( LiClO
4) 1 M - Ánodo : grafito o carbono duro con litio metálico intercalado
- Condiciones experimentales:
- Temperatura ambiente
- Límites de voltaje: 2,0–3,65 V
- Carga: Hasta C / 1 tasa hasta 3.6 V, luego voltaje constante a 3.6 V hasta I
- Según un fabricante, las baterías de fosfato de hierro y litio de un automóvil eléctrico se pueden cargar en una estación de carga rápida al 80% en 15 minutos y al 100% en 40 minutos. [33]
Usos
Almacenamiento de energía en el hogar
Enphase produce baterías LFP en tamaños de 3kWHr y 10kWHr para almacenamiento de energía en el hogar, energía distribuida, uso fuera de la red y microrred.
Transporte
Las tasas de descarga más altas necesarias para la aceleración, menor peso y mayor vida útil hacen que este tipo de batería sea ideal para carretillas elevadoras, bicicletas y automóviles eléctricos. Las baterías de 12V LiFePO 4 también están ganando popularidad como una segunda batería (doméstica) para una caravana, una casa rodante o un barco.
Tesla Motors actualmente usa baterías LFP en ciertos vehículos, pero solo en sus Modelos 3 e Y de rango estándar fabricados en China.
Sistemas de iluminación con energía solar
"14500" (Individual batería AA -sized) células LFP ahora se utilizan en algunos de energía solar de iluminación de paisaje en lugar de 1,2 V NiCd / NiMH . [ cita requerida ]
El voltaje de trabajo más alto del LFP (3,2 V) permite que una sola celda controle un LED sin circuitos para aumentar el voltaje. Su mayor tolerancia a la sobrecarga modesta (en comparación con otros tipos de células de Li) significa que LiFePO
4se puede conectar a células fotovoltaicas sin circuitos para detener el ciclo de recarga. La capacidad de controlar un LED desde una sola celda LFP también evita los soportes de batería y, por lo tanto, los problemas de corrosión, condensación y suciedad asociados con los productos que utilizan múltiples baterías recargables extraíbles. [ cita requerida ]
En 2013, surgieron mejores lámparas de seguridad infrarrojas pasivas cargadas con energía solar. [34] Como las celdas LFP de tamaño AA tienen una capacidad de solo 600 mAh (mientras que el LED brillante de la lámpara puede consumir 60 mA), las unidades brillan como máximo durante 10 horas. Sin embargo, si el disparo es solo ocasional, dichas unidades pueden ser satisfactorias incluso cargando con poca luz solar, ya que la electrónica de la lámpara asegura corrientes "inactivas" en la oscuridad de menos de 1 mA. [ cita requerida ]
Otros usos
Muchas conversiones de vehículos eléctricos domésticos utilizan las versiones de gran formato como paquete de tracción del automóvil. Con las ventajosas relaciones de potencia a peso, las características de alta seguridad y la resistencia química a la fuga térmica, existen pocas barreras para que las utilicen los aficionados a la fabricación de casas. Las autocaravanas a menudo se convierten en fosfato de hierro y litio debido al alto consumo.
Algunos cigarrillos electrónicos utilizan este tipo de baterías. Otras aplicaciones incluyen linternas, modelos controlados por radio , equipos portátiles con motor, equipos de radioaficionados, sistemas de sensores industriales [35] e iluminación de emergencia . [36]
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Lista de tamaños de batería
- Lista de fabricantes de baterías para vehículos eléctricos
- Comparación de tipos de baterías
- Batería de titanato de litio
- Batería de litio-aire
- Batería de polímero de iones de litio
- Batería de nanocables
- Fosfato
- Relación peso-potencia
- Batería super iron
- XPeng
Referencias
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