Литий -железо-фосфатный аккумулятор ( LiFePO
4батарея ) или батарея LFP ( литий-феррофосфатная ) — это тип литий-ионной батареи, использующей литий-железо-фосфат ( LiFePO
4) в качестве материала катода и графитовый углеродный электрод с металлической подложкой в качестве анода . Благодаря своей низкой стоимости, высокой безопасности, низкой токсичности, длительному сроку службы и другим факторам, батареи LFP находят ряд ролей в использовании транспортных средств , стационарных приложениях коммунального масштаба и резервном питании . [7] Батареи LFP не содержат кобальта. [8] По состоянию на сентябрь 2022 года доля рынка батарей типа LFP для электромобилей достигла 31%, и из них 68% приходилось только на производителей электромобилей Tesla и BYD . [9] Китайские производители в настоящее время удерживают почти монополию на производство батарей типа LFP. [10] С учетом того, что патенты начали истекать в 2022 году, и возросшего спроса на более дешевые батареи для электромобилей, [11] ожидается, что производство батарей типа LFP будет расти и дальше и превзойдет батареи типа литий-никелево-марганцево-кобальтовых оксидов (NMC) в 2028 году. [12]
Удельная энергия аккумуляторов LFP ниже, чем у других распространенных типов литий-ионных аккумуляторов, таких как никель-марганцево-кобальтовые (NMC) и никель-кобальт-алюминиевые (NCA) . По состоянию на 2024 год удельная энергия аккумулятора LFP компании CATL в настоящее время составляет 205 Вт·ч на килограмм (Вт·ч/кг) на уровне ячеек. [13] Удельная энергия аккумулятора LFP компании BYD составляет 150 Вт·ч/кг. Лучшие аккумуляторы NMC демонстрируют удельные значения энергии более 300 Вт·ч/кг. В частности, удельная энергия аккумуляторов Panasonic «2170» NCA, используемых в Tesla Model 3 2020 года, составляет около 260 Вт·ч/кг, что составляет 70% от его значения «чистых химикатов». Аккумуляторы LFP также демонстрируют более низкое рабочее напряжение , чем другие типы литий-ионных аккумуляторов.
LiFePO
4природный минерал семейства оливина ( трифилит ). Арумугам Мантирам и Джон Б. Гуденаф первыми определили класс полианионных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов . [14] [15] [16] LiFePO
4Затем в 1996 году Падхи и др. определили его как катодный материал, относящийся к классу полианионов, для использования в батареях. [17] [18] Обратимое извлечение лития из LiFePO
4и введение лития в FePO
4было продемонстрировано. Благодаря своей низкой стоимости, нетоксичности, природному изобилию железа , превосходной термической стабильности, характеристикам безопасности, электрохимическим характеристикам и удельной емкости (170 мА·ч / г или 610 Кл / г ) он получил значительное признание на рынке. [19] [20]
Главным препятствием для коммерциализации была его изначально низкая электропроводность . Эта проблема была преодолена путем уменьшения размера частиц, покрытия LiFePO
4частицы с проводящими материалами, такими как углеродные нанотрубки , [21] [22] или и то, и другое. Этот подход был разработан Мишелем Арманом и его коллегами в Hydro-Québec и Университете Монреаля в 2015 году. [23] [24] [25] Другой подход группы Йет Мин Чана в Массачусетском технологическом институте состоял в легировании [19] LFP катионами таких материалов, как алюминий , ниобий и цирконий .
В ранних литий-ионных аккумуляторах использовались отрицательные электроды (анод, при разряде), изготовленные из нефтяного кокса ; в более поздних типах использовался натуральный или синтетический графит. [26]
Аккумулятор LFP использует химию, полученную из литий-иона, и имеет много преимуществ и недостатков, которые присущи другим типам литий-ионных аккумуляторов. Однако существуют и существенные различия.
Железо и фосфаты очень распространены в земной коре . LFP не содержит ни никеля [33], ни кобальта , оба из которых ограничены в поставках и дороги. Как и в случае с литием, были подняты вопросы прав человека [34] и окружающей среды [35] относительно использования кобальта. Экологические проблемы также были подняты относительно добычи никеля. [36]
В отчете за 2020 год, опубликованном Министерством энергетики, сравнивались затраты на крупномасштабные системы хранения энергии, построенные с использованием LFP и NMC. Было обнаружено, что стоимость за кВт·ч батарей LFP была примерно на 6% меньше, чем NMC, и прогнозировалось, что ячейки LFP прослужат примерно на 67% дольше (больше циклов). Из-за различий в характеристиках ячеек стоимость некоторых других компонентов системы хранения будет несколько выше для LFP, но в целом она все равно остается менее затратной за кВт·ч, чем NMC. [37]
В 2020 году самые низкие зарегистрированные цены на ячейки LFP составляли $80/кВт·ч (12,5 Вт·ч/$) при средней цене $137/кВт·ч, [38] в то время как в 2023 году средняя цена упала до $100/кВт·ч. [39] К началу 2024 года ячейки LFP размером с VDA были доступны по цене менее 0,5 юаней /Вт·ч (70 долларов/кВт·ч), в то время как китайский автопроизводитель Leapmotor заявил, что покупает ячейки LFP по цене 0,4 юаня/Вт·ч (56 долларов/кВт·ч) и полагает, что они могут упасть до 0,32 юаня/Вт·ч (44 доллара/кВт·ч). [40] К середине 2024 года собранные батареи LFP были доступны потребителям в США примерно по цене $115/кВт·ч. [41]
Химия LFP обеспечивает значительно более длительный циклический срок службы, чем другие литий-ионные химии. В большинстве условий она поддерживает более 3000 циклов, а в оптимальных условиях она поддерживает более 10 000 циклов. Аккумуляторы NMC поддерживают около 1000–2300 циклов в зависимости от условий. [6]
Элементы LFP демонстрируют более медленную скорость потери емкости (т. е. больший срок службы ), чем химические элементы литий-ионных аккумуляторов, такие как кобальт ( LiCoO
2) или марганцевая шпинель ( LiMn
2О
4) литий-ионные полимерные батареи (LiPo батареи) или литий-ионные батареи . [42]
Из-за номинального выходного напряжения 3,2 В четыре ячейки могут быть размещены последовательно для номинального напряжения 12,8 В. Это близко к номинальному напряжению шестиэлементных свинцово-кислотных батарей . Наряду с хорошими характеристиками безопасности батарей LFP, это делает LFP хорошей потенциальной заменой свинцово-кислотных батарей в таких приложениях, как автомобильные и солнечные приложения, при условии, что системы зарядки адаптированы так, чтобы не повреждать ячейки LFP из-за чрезмерного напряжения зарядки (выше 3,6 В постоянного тока на ячейку во время зарядки), температурной компенсации напряжения, попыток выравнивания или непрерывной подзарядки малым током . Ячейки LFP должны быть по крайней мере изначально сбалансированы перед сборкой пакета, а также должна быть реализована система защиты, чтобы гарантировать, что ни одна ячейка не будет разряжена ниже напряжения 2,5 В, иначе в большинстве случаев произойдет серьезное повреждение из-за необратимой деинтеркаляции LiFePO 4 в FePO 4 . [43]
Одним из важных преимуществ по сравнению с другими литий-ионными химическими веществами является термическая и химическая стабильность, что повышает безопасность батареи. [35] [ необходим лучший источник ] LiFePO
4является изначально более безопасным катодным материалом, чем LiCoO
2и шпинели диоксида марганца за счет исключения кобальта , отрицательный температурный коэффициент сопротивления которого может способствовать тепловому разгону . Связь P – O в (PO4)3−ион сильнее, чем связь Co – O в (CoO
2)−
ion, так что при злоупотреблении ( короткое замыкание , перегрев и т. д.) атомы кислорода высвобождаются медленнее. Эта стабилизация окислительно-восстановительных энергий также способствует более быстрой миграции ионов. [44] [ нужен лучший источник ]
Поскольку литий мигрирует из катода в LiCoO
2клетка, CoO
2подвергается нелинейному расширению, которое влияет на структурную целостность ячейки. Полностью литированные и нелитированные состояния LiFePO
4структурно схожи, что означает, что LiFePO
4клетки структурно более стабильны, чем LiCoO
2клетки. [ необходима цитата ]
В катоде полностью заряженного элемента LFP не остается лития. В LiCoO
2ячейка, осталось примерно 50%. LiFePO
4обладает высокой устойчивостью при потере кислорода, что обычно приводит к экзотермической реакции в других литиевых элементах. [20] В результате LiFePO
4Элементы сложнее воспламенить в случае неправильного обращения (особенно во время зарядки) .
4Аккумулятор не разлагается при высоких температурах. [35]
Плотность энергии (энергия/объем) новой батареи LFP по состоянию на 2008 год была примерно на 14% ниже, чем у новой LiCoO
2[45] Поскольку скорость разряда представляет собой процент от емкости батареи, более высокую скорость можно получить, используя большую батарею (больше ампер-часов ), если необходимо использовать батареи с низким током.
Enphase стала пионером LFP вместе с домашними или корпоративными аккумуляторами SunFusion Energy Systems LiFePO 4 Ultra-Safe ECHO 2.0 и Guardian E2.0 по причинам стоимости и пожарной безопасности, хотя рынок по-прежнему разделен между конкурирующими химическими веществами. [46] Хотя более низкая плотность энергии по сравнению с другими литиевыми химическими веществами добавляет массу и объем, оба могут быть более приемлемыми в статическом применении. В 2021 году на рынке домашних конечных пользователей было несколько поставщиков, включая SonnenBatterie и Enphase . Tesla Motors продолжает использовать аккумуляторы NMC в своих домашних продуктах для хранения энергии, но в 2021 году перешла на LFP для своего продукта для коммунальных батарей. [47] По данным EnergySage, наиболее часто цитируемым брендом домашних аккумуляторов в США является Enphase, который в 2021 году превзошел Tesla Motors и LG . [48]
Более высокие скорости разряда, необходимые для ускорения, меньший вес и более длительный срок службы делают этот тип батареи идеальным для погрузчиков, велосипедов и электромобилей. Двенадцативольтовые батареи LiFePO 4 также набирают популярность в качестве второй (домашней) батареи для каравана, автодома или лодки. [49]
Tesla Motors использует аккумуляторы LFP во всех стандартных моделях Models 3 и Y , выпущенных после октября 2021 года [50], за исключением автомобилей стандартной комплектации, выпускаемых с ячейками 4680, начиная с 2022 года, в которых используется химия NMC . [51]
По состоянию на сентябрь 2022 года доля LFP-аккумуляторов на всем рынке электромобилей увеличилась до 31%. Из них 68% были реализованы двумя компаниями: Tesla и BYD. [52]
Литий-железо-фосфатные батареи официально превзошли тройные батареи в 2021 году с 52% установленной мощности. Аналитики оценивают, что их доля на рынке превысит 60% в 2024 году. [53]
В феврале 2023 года Ford объявил, что инвестирует 3,5 миллиарда долларов в строительство завода в Мичигане, который будет производить недорогие батареи для некоторых из его электромобилей. Проект будет полностью принадлежать дочерней компании Ford, но будет использовать технологию, лицензированную у китайской компании по производству батарей Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL). [54]
В настоящее время в некоторых ландшафтных светильниках на солнечных батареях вместо NiCd / NiMH 1,2 В используются одиночные элементы LFP «14500» ( размером с батарейку АА ) . [ требуется ссылка ]
Более высокое [ уточнение необходимо ] рабочее напряжение LFP (3,2 В) позволяет одной ячейке управлять светодиодом без схемы для повышения напряжения. Его повышенная устойчивость к умеренной перезарядке (по сравнению с другими типами ячеек Li) означает, что LiFePO
4может быть подключен к фотоэлектрическим элементам без схемы для остановки цикла перезарядки.
К 2013 году появились более совершенные пассивные инфракрасные охранные лампы с солнечной зарядкой . [55] Поскольку ячейки LFP размером AA имеют емкость всего 600 мАч (в то время как яркий светодиод лампы может потреблять 60 мА), устройства светят не более 10 часов. Однако, если срабатывание происходит лишь изредка, такие устройства могут быть удовлетворительными даже при зарядке при слабом солнечном свете, поскольку электроника лампы обеспечивает после наступления темноты «холостые» токи менее 1 мА. [ необходима цитата ]
Некоторые электронные сигареты используют эти типы батарей. Другие приложения включают морские электрические системы [56] и двигатели, фонарики, радиоуправляемые модели , портативное моторное оборудование, любительское радиооборудование, промышленные сенсорные системы [57] и аварийное освещение . [58]
Недавняя модификация заключается в замене потенциально нестабильного сепаратора более стабильным материалом. [59] Недавние открытия показали, что LiFePO 4 и в некоторой степени Li-ion могут деградировать из-за тепла, когда тестовые ячейки были разобраны, образовалось кирпично-красное соединение, которое при анализе предполагало, что молекулярный распад ранее считавшегося стабильным сепаратора был распространенным режимом отказа. В этом случае побочные реакции постепенно поглощают ионы Li, удерживая их в стабильных соединениях, поэтому их нельзя перемещать. Также три электродные батареи, которые позволяют внешним устройствам обнаруживать образование внутренних коротких замыканий, являются потенциальным краткосрочным решением проблемы дендритов.
{{cite tech report}}
: CS1 maint: date and year (link)Текущие испытания прогнозируют отличный календарный срок службы: 17% рост
импеданса
и 23% потеря емкости за 15 лет при 100%
SOC
, 60°C.