¿Qué significa LiFePO4?
Batería de fosfato de hierro y litio - Lithium iron phosphate battery
La batería de fosfato de hierro y litio ( LiFePO4 batería ) o batería LFP ( ferrofosfato de litio ), es un tipo de batería de iones de litio que utiliza LiFePO4 como material del cátodo , y un electrodo de carbono grafítico con un respaldo metálico como ánodo . La densidad de energía de LiFePO4 es más baja que la del óxido de cobalto y litio ( LiCoO2 ), y también tiene un voltaje de funcionamiento más bajo. El principal inconveniente de LiFePO4 es su baja conductividad eléctrica. Por lo tanto, todos los LiFePO4 Los cátodos considerados son en realidad LiFePO4/C. Debido a su bajo costo, baja toxicidad, desempeño bien definido, estabilidad a largo plazo, etc. LiFePO4 está encontrando una serie de roles en el uso de vehículos, aplicaciones estacionarias a escala de servicios públicos y energía de respaldo. Las baterías LFP no contienen cobalto.
Historia
LiFePO 4 es un mineral natural de la familia del olivino ( trifilita ). Arumugam Manthiram y John B. Goodenough identificaron por primera vez la clase de polianiones de materiales catódicos para baterías de iones de litio . LiFePO4 luego fue identificado como un material catódico perteneciente a la clase de polianiones para su uso en baterías en 1996 por Padhi et al. Extracción reversible de litio de LiFePO4 e inserción de litio en FePO4 fue 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. . La principal barrera para la comercialización fue su conductividad eléctrica intrínsecamente baja . Este problema se superó reduciendo el tamaño de las partículas, recubriendo el LiFePO4 partículas con materiales conductores como nanotubos de carbono , o ambos. Este enfoque fue desarrollado por Michel Armand y sus compañeros de trabajo. Otro enfoque del grupo de Yet Ming Chiang consistió en dopar 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 evitan 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. 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.
Ventajas y desventajas
El LiFePO4 La 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 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. La química de LFP ofrece un ciclo de vida más largo que otros enfoques de iones de litio. Al igual que las baterías recargables de níquel (y a diferencia de otras baterías de iones de litio), LiFePO4 las baterías tienen un voltaje de descarga muy constante. El voltaje permanece cerca de 3,2 V durante la descarga hasta que se agota la celda. Esto permite que la celda entregue prácticamente toda su potencia hasta que se descarga, y puede simplificar en gran medida o incluso eliminar la necesidad de circuitos de regulación de voltaje. 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 por 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. El uso de fosfatos evita el costo del cobalto y las preocupaciones ambientales, particularmente las preocupaciones sobre la entrada de cobalto al medio ambiente a través de una eliminación inadecuada. LiFePO4 tiene clasificaciones de corriente o potencia máxima más altas que el óxido de cobalto de litio LiCoO2 . La densidad de energía (energía / volumen) de una batería LFP nueva es aproximadamente un 14% menor que la de una batería LiCoO nueva . 2 batería. Además, muchas marcas de LFP, así como las celdas de una marca determinada de baterías LFP, tienen una tasa de descarga más baja que las de plomo-ácido o LiCoO2 . 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 LiCoO2 batería de la misma capacidad). LiFePO4 Las células experimentan una tasa de pérdida de capacidad más lenta (también conocida como mayor vida útil) que las químicas de las baterías de iones de litio como LiCoO2 cobalto o LiMn2O4 baterías de polímero de iones de litio de espinela de manganeso (batería LiPo) o baterías de iones de litio . Después de un año en el estante, un LiFePO4 La celda generalmente tiene aproximadamente la misma densidad de energía que una LiCoO2 Celda de iones de litio, debido a la disminución más lenta de la densidad de energía de LFP.
La seguridad
Una ventaja importante sobre otras químicas de iones de litio es la estabilidad térmica y química, que mejora la seguridad de la batería. LiFePO4 es un material de cátodo intrínsecamente más seguro que el LiCoO2 y espinela 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 (CoO2 ) – 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. A medida que el litio sale del cátodo en un LiCoO2 celda, el CoO2 sufre una expansión no lineal que afecta la integridad estructural de la celda. Los estados totalmente litiado y unlithiated de LiFePO4 son estructuralmente similares, lo que significa que LiFePO4 las células son estructuralmente más estables que LiCoO 2 células. No queda litio en el cátodo de un LiFePO completamente cargado 4 celda. (En un LiCoO2 celda, queda aproximadamente el 50%.) LiFePO4 es muy resistente durante la pérdida de oxígeno, lo que normalmente da como resultado una reacción exotérmica en otras celdas de litio. Como resultado, LiFePO4 las celdas son más difíciles de encender en caso de mal manejo (especialmente durante la carga). El LiFePO 4 la batería no se descompone a altas temperaturas.
Especificaciones
- Voltaje de celda
- Voltaje mínimo de descarga = 2,5 V
- Voltaje de funcionamiento = 3,0 ~ 3,2 V
- Voltaje de carga máximo = 3,65 V
- Densidad de energía volumétrica = 220 Wh / L (790 kJ / L)
- Densidad de energía gravimétrica> 90 Wh / kg (> 320 J / g). Hasta 160 Wh / kg (580 J / g).
- Ciclo de vida del 100% del DOD (número de ciclos al 80% de la capacidad original) = 2000–7000
- 10% de vida útil del ciclo DOD (número de ciclos al 80% de la capacidad original)> 10,000
- Composición del cátodo (peso)
- 90% C-LiFePO 4 , grado Phos-Dev-12
- 5% de carbono EBN-10-10 (grafito superior)
- 5% de fluoruro de olivinilideno (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.
Usos
Almacenamiento de energía en el hogar
Las características de estas celdas las hacen ideales para el uso como almacenamiento de energía en viviendas, gracias a su tamaño, seguridad y altas capacidades de potencia y almacenamiento de las celdas, haciendo posible múltiples configuraciones adaptables a cada tipo de vivienda muy fácilmente.
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 LiFePO4 también están ganando popularidad como una segunda batería (doméstica) para una caravana, una casa rodante o un barco.
Sistemas de iluminación con energía solar
Las células LFP ahora se utilizan en algunos de energía solar de iluminación de paisaje en lugar de 1,2 V NiCd / NiMH . 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 LiFePO4 se 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. En 2013, surgieron mejores lámparas de seguridad infrarrojas pasivas cargadas con energía solar. 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, estas unidades pueden ser satisfactorias incluso cargando con poca luz solar, ya que los componentes electrónicos de la lámpara aseguran corrientes “inactivas” en la oscuridad de menos de 1 mA.
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 e iluminación de emergencia.
Fuente original del artículo: Iron phosphate battery en Wikipedia