Литий-железо-фосфатный аккумулятор ( LiFePO
4батарея ) или батарея LFP ( литий-феррофосфат ) — это тип литий-ионной батареи , использующей литий-железо-фосфат ( LiFePO
4) в качестве материала катода и угольный графитовый электрод с металлической подложкой в качестве анода . Из-за своей низкой стоимости, высокой безопасности, низкой токсичности, длительного срока службы и других факторов батареи LFP находят множество применений в транспортных средствах , стационарных приложениях коммунального масштаба и в качестве резервного источника питания . [6] Батареи LFP не содержат кобальта. [7] По состоянию на сентябрь 2022 года доля рынка аккумуляторов типа LFP для электромобилей достигла 31%, из которых 68% приходилось на продукцию Tesla и китайского производителя электромобилей BYD. [8] Китайские производители в настоящее время владеют практически монополией на производство аккумуляторов типа LFP. [9] Поскольку срок действия патентов истекает в 2022 году, а спрос на более дешевые аккумуляторы для электромобилей растет, [10] ожидается, что производство типа LFP продолжит расти и превзойдет аккумуляторы типа литий-никель-марганец-кобальт (NMC) в 2028 году. [11]
Плотность энергии аккумуляторов LFP ниже, чем у других распространенных типов литий-ионных аккумуляторов, таких как никель-марганцево-кобальтовые (NMC) и никель-кобальт-алюминиевые (NCA) . Плотность энергии батареи LFP компании CATL в настоящее время составляет 125 Вт-часов на килограмм (Втч/кг) и, возможно, достигнет 160 Втч/кг при улучшенной технологии упаковки. Плотность энергии аккумулятора LFP BYD составляет 150 Втч/кг. Лучшие батареи NMC имеют плотность энергии более 300 Втч/кг. Примечательно, что плотность энергии батарей NCA Panasonic «2170», используемых в Tesla Model 3 2020 года, составляет около 260 Втч/кг, что составляет 70% от ее «чистой химической» ценности. Батареи LFP также имеют более низкое рабочее напряжение , чем другие типы литий-ионных батарей.
ЛиФеПО
4— природный минерал семейства оливинов ( трифилит ). Арумугам Мантирам и Джон Б. Гуденаф первыми определили полианионный класс катодных материалов для литий-ионных батарей . [12] [13] [14] LiFePO
4затем был идентифицирован как катодный материал, принадлежащий к классу полианионов, для использования в батареях в 1996 году Padhi et al. [15] [16] Обратимое извлечение лития из LiFePO
4и внедрение лития в FePO
4был продемонстрирован. Благодаря своей низкой стоимости, нетоксичности, естественному содержанию 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. . [17] [18]
Главным препятствием для коммерциализации была его присущая ему низкая электропроводность . Эту проблему удалось преодолеть за счет уменьшения размера частиц, покрытия LiFePO .
4частицы с проводящими материалами, такими как углеродные нанотрубки , [19] [20] или и то, и другое. Этот подход был разработан Мишелем Арманом и его коллегами из Hydro-Québec и Университета Монреаля . [21] [22] [23] Другой подход группы Йет Мин Чанга в Массачусетском технологическом институте заключался в легировании [17] LFP катионами таких материалов, как алюминий , ниобий и цирконий .
Отрицательные электроды (анод при разряде) из нефтяного кокса использовались в первых литий-ионных батареях; в более поздних типах использовался натуральный или синтетический графит. [24]
В аккумуляторе LFP используется литий-ионный химический состав, и он имеет множество преимуществ и недостатков по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. Однако есть существенные различия.
Железо и фосфаты очень распространены в земной коре . LFP не содержит ни никеля [30], ни кобальта , оба из которых ограничены в поставках и дороги. Как и в случае с литием, использование кобальта вызывает обеспокоенность по поводу прав человека [31] и окружающей среды [32] . Экологические проблемы также были высказаны в отношении добычи никеля. [33]
В 2020 году самые низкие зарегистрированные цены на элементы LFP составляли 80 долларов США/кВтч (12,5 Втч/$) при средней цене 137 долларов США/кВтч [34] , тогда как в 2023 году средняя цена упала до 100 долларов США/кВтч. [35]
В отчете Министерства энергетики за 2020 год сравниваются затраты на крупномасштабные системы хранения энергии, построенные с использованием LFP, и NMC. Было обнаружено, что стоимость кВтч батарей LFP примерно на 6% ниже, чем у NMC, и прогнозируется, что элементы LFP будут работать 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 в пересчете на кВтч, чем NMC. [36]
Химия LFP обеспечивает значительно более длительный срок службы, чем другие литий-ионные технологии. В большинстве условий он поддерживает более 3000 циклов, а в оптимальных условиях — более 10 000 циклов. Аккумуляторы NMC выдерживают от 1000 до 2300 циклов, в зависимости от условий. [5]
Элементы LFP испытывают более медленную скорость потери емкости (т.е. больший срок службы ), чем химические элементы литий-ионных батарей, таких как кобальт ( LiCoO
2) или марганцевой шпинели ( LiMn
2О
4) литий-ионные полимерные аккумуляторы (батарея LiPo) или литий-ионные аккумуляторы . [37]
Из-за номинального выходного напряжения 3,2 В четыре элемента можно соединить последовательно с номинальным напряжением 12,8 В. Это близко к номинальному напряжению шестиэлементных свинцово-кислотных аккумуляторов . Наряду с хорошими характеристиками безопасности аккумуляторов LFP, это делает LFP хорошей потенциальной заменой свинцово-кислотных аккумуляторов в таких приложениях, как автомобили и солнечные батареи, при условии, что системы зарядки адаптированы так, чтобы не повреждать элементы LFP чрезмерным зарядным напряжением (более 3,6). вольт постоянного тока на элемент во время зарядки), температурная компенсация напряжения, попытки выравнивания или непрерывная подзарядка . Ячейки LFP должны быть по крайней мере первоначально сбалансированы перед сборкой блока, а также необходимо внедрить систему защиты, чтобы гарантировать, что ни один элемент не может быть разряжен ниже напряжения 2,5 В, иначе в большинстве случаев произойдет серьезное повреждение из-за необратимой деинтеркаляции LiFePO 4 в FePO 4 . [38]
Одним из важных преимуществ по сравнению с другими химическими составами литий-ионных аккумуляторов является термическая и химическая стабильность, которая повышает безопасность аккумуляторов. [32] ЛиФеПО
4является искробезопасным катодным материалом, чем LiCoO .
2и шпинели диоксида марганца за счет отсутствия кобальта , отрицательный температурный коэффициент сопротивления которого может способствовать тепловому выходу из строя . Связь P – O в (PO4)3-ион прочнее связи Co – O в (CoO
2)−
ион, так что при неправильном использовании ( коротком замыкании , перегреве и т. д.) атомы кислорода высвобождаются медленнее. Эта стабилизация окислительно-восстановительной энергии также способствует более быстрой миграции ионов. [39]
Когда литий мигрирует из катода в LiCoO
2ячейка, КоО
2подвергается нелинейному расширению, что влияет на структурную целостность клетки. Полностью литированные и нелитированные состояния LiFePO .
4структурно схожи, что означает, что LiFePO
4ячейки более структурно стабильны, чем LiCoO
2клетки. [ нужна цитата ]
В катоде полностью заряженного элемента LFP лития не остается. В LiCoO
2клетке остается примерно 50%. ЛиФеПО
4очень устойчив к потере кислорода, что обычно приводит к экзотермической реакции в других литиевых элементах. [18] В результате LiFePO
4элементы труднее воспламенить в случае неправильного обращения (особенно во время зарядки). ЛиФеПО _
4аккумулятор не разлагается при высоких температурах. [32]
Плотность энергии (энергия/объем) новой батареи LFP примерно на 14% ниже, чем у новой LiCoO .
2аккумулятор. [40] Поскольку скорость разряда представляет собой процент от емкости батареи, более высокой скорости можно достичь, используя батарею большего размера (больше ампер-часов ), если необходимо использовать слаботочные батареи.
Компания Enphase стала пионером LFP вместе с аккумуляторами SunFusion Energy Systems LifePO4 Ultra-Safe ECHO 2.0 и Guardian E2.0 для дома или бизнеса по соображениям стоимости и пожарной безопасности, хотя рынок по-прежнему разделен между конкурирующими химическими продуктами. [41] Хотя более низкая плотность энергии по сравнению с другими химическими литиями увеличивает массу и объем, оба могут быть более приемлемыми в статическом применении. В 2021 году на рынке домашних конечных пользователей было несколько поставщиков, в том числе SonnenBatterie и Enphase . Tesla Motors продолжает использовать батареи NMC в своих домашних аккумуляторах энергии, но в 2021 году перешла на LFP для своих аккумуляторов общего назначения. [42] По данным EnergySage, наиболее часто цитируемым брендом домашних аккумуляторов в США является Enphase, который в 2021 году обогнал Tesla Motors и LG . [43]
Более высокая скорость разряда, необходимая для ускорения, меньший вес и более длительный срок службы делают этот тип аккумулятора идеальным для вилочных погрузчиков, велосипедов и электромобилей. Аккумуляторы LiFePO 4 на 12 В также набирают популярность в качестве второго (домашнего) аккумулятора для фургона, дома на колесах или лодки. [44]
Tesla Motors использует батареи LFP во всех моделях 3 и Y стандартной линейки, выпущенных после октября 2021 года [45], за исключением автомобилей стандартной линейки, изготовленных с 4680 элементами, начиная с 2022 года, в которых используется химия NMC . [46]
По состоянию на сентябрь 2022 года доля аккумуляторов LFP на всем рынке аккумуляторов для электромобилей увеличилась до 31%. Из них 68% были развернуты двумя компаниями: Tesla и BYD. [47]
Литий-железо-фосфатные батареи официально превзошли тройные батареи в 2021 году с 52% установленной емкости. По оценкам аналитиков, в 2024 году его рыночная доля превысит 60%. [48]
В феврале 2023 года Ford объявил, что инвестирует 3,5 миллиарда долларов в строительство завода в Мичигане, который будет производить недорогие аккумуляторы для некоторых своих электромобилей. Проект будет полностью принадлежать дочерней компании Ford, но в нем будет использоваться технология, лицензированная китайской компанией по производству аккумуляторов Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL). [49]
Одиночные элементы LFP «14500» ( размером с батарею АА ) теперь используются в некоторых ландшафтных светильниках на солнечных батареях вместо NiCd / NiMH 1,2 В. [ нужна цитата ]
Более высокое 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 Li-элементов) означает, что LiFePO
4могут быть подключены к фотоэлектрическим элементам без схемы остановки цикла перезарядки.
К 2013 году появились более совершенные пассивные инфракрасные лампы безопасности с датчиками движения , заряжаемые солнечной энергией . [50] Поскольку элементы LFP размера AA имеют емкость всего 600 мАч (в то время как яркий светодиод лампы может потреблять 60 мА), блоки светят максимум 10 часов. Однако, если срабатывание происходит лишь время от времени, такие устройства могут быть удовлетворительными даже для зарядки при слабом солнечном свете, поскольку электроника лампы обеспечивает ток «холостого хода» после наступления темноты менее 1 мА. [ нужна цитата ]
В некоторых электронных сигаретах используются батареи этого типа. Другие области применения включают морские электрические системы [51] и двигательные установки, фонарики, радиоуправляемые модели , портативное оборудование с приводом от двигателя, любительское радиооборудование, промышленные сенсорные системы [52] и аварийное освещение . [53]
Недавняя модификация, обсуждаемая здесь [54] , заключается в замене потенциально нестабильного сепаратора более стабильным материалом. Недавние открытия показали, что LiFePO4 и, в некоторой степени, литий-ионный материал могут разлагаться из-за нагрева: когда тестовые ячейки разбирались, образовалось соединение кирпично-красного цвета, которое при анализе позволяет предположить, что молекулярный распад ранее считавшегося стабильным сепаратора был распространенным типом отказа. В этом случае побочные реакции постепенно поглощают ионы лития, захватывая их в стабильные соединения, поэтому их невозможно перемещать. Кроме того, трехэлектродные батареи, которые позволяют внешним устройствам обнаруживать образование внутренних коротких замыканий, являются потенциальным решением проблемы дендритов в ближайшем будущем.
{{cite encyclopedia}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite tech report}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка )Текущий тест показывает отличный календарный срок службы: рост
импеданса
на 17% и потеря емкости на 23% за 15 лет при 100%
SOC
и 60°C.