Batería de fosfato de hierro y litio
Tipo de batería recargable
Batería de fosfato de hierro y litio
Batería de litio-ion-litio (LiFePO4)
Una batería AA de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) (derecha) junto a un marcador de posición de batería (izquierda)
Energía específica90–160  Wh /kg (320–580 J/g o kJ/kg) [1]
Próxima generación: 180–205  Wh /kg [2]
Densidad de energía325 Wh/ L (1200 kJ/L) [1]
Potencia específicaalrededor de 200  W /kg [3]
Energía/precio al consumidor1-4 Wh/USD [4] [5]
Durabilidad en el tiempo> 10 años
Durabilidad del ciclo2.750–12.000 [6]  ciclos
Voltaje nominal de la celda3,2  V

La batería de fosfato de hierro y litio ( LiFePO
4La batería ) 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 . Debido a su bajo costo, alta seguridad, baja toxicidad, largo ciclo de vida y otros factores, las baterías LFP están encontrando una serie de funciones en el uso de vehículos , aplicaciones estacionarias a escala de servicios públicos y energía de respaldo . [7] Las baterías LFP no contienen cobalto. [8] A septiembre de 2022, la participación de mercado de baterías de tipo LFP para vehículos eléctricos alcanzó el 31%, y de eso, el 68% era solo de los fabricantes de vehículos eléctricos Tesla y BYD . [9] Los fabricantes chinos actualmente tienen casi el monopolio de la producción de baterías de tipo LFP. [10] Con las patentes que comenzaron a expirar en 2022 y la mayor demanda de baterías para vehículos eléctricos más baratas, [11] se espera que la producción de tipo LFP aumente aún más y supere las baterías de tipo litio, níquel, manganeso y óxidos de cobalto (NMC) en 2028. [12]

La energía específica de las baterías LFP es menor que la de otros tipos comunes de baterías de iones de litio, como las de níquel-manganeso-cobalto (NMC) y níquel-cobalto-aluminio (NCA) . A partir de 2024, la energía específica de la batería LFP de CATL es actualmente de 205 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) a nivel de celda. [13] La energía específica de la batería LFP de BYD es de 150 Wh/kg. Las mejores baterías NMC exhiben valores de energía específica de más de 300 Wh/kg. En particular, la energía específica de las baterías NCA “2170” de Panasonic utilizadas en el Modelo 3 2020 de Tesla es de alrededor de 260 Wh/kg, que es el 70% de su valor de “químicos puros”. Las baterías LFP también exhiben un voltaje de funcionamiento más bajo que otros tipos de baterías de iones de litio.

Historia

LiFePO
4es un mineral natural de la familia de las olivinas ( trifilita ). Arumugam Manthiram y John B. Goodenough identificaron por primera vez la clase de polianiones de materiales de cátodo para baterías de iones de litio . [14] [15] [16] LiFePO
4Luego fue identificado como un material de cátodo perteneciente a la clase de polianiones para su uso en baterías en 1996 por Padhi et al. [17] [18] Extracción reversible de litio de LiFePO
4y la inserción de litio en FePO
4Se ha demostrado que, debido a su bajo coste, su no toxicidad, la abundancia natural de hierro , su excelente estabilidad térmica, sus características de seguridad, su rendimiento electroquímico y su capacidad específica (170  mA·h / g o 610  C / g ), ha ganado una considerable aceptación en el mercado. [19] [20]

La principal barrera para la comercialización era su conductividad eléctrica intrínsecamente baja . Este problema se superó reduciendo el tamaño de las partículas, recubriendo el LiFePO4 con
4partículas con materiales conductores como nanotubos de carbono , [21] [22] o ambos. Este enfoque fue desarrollado por Michel Armand y sus colaboradores en Hydro-Québec y la Université de Montréal en 2015. [23] [24] [25] Otro enfoque del grupo de Yet Ming Chiang en el MIT consistió en dopar [19] LFP con cationes de materiales como aluminio , niobio y circonio .

En las primeras baterías de iones de litio se utilizaban electrodos negativos (ánodo, en caso de descarga) hechos de coque de petróleo ; los tipos posteriores utilizaban grafito natural o sintético. [26]

Presupuesto

Se conectan varios módulos de fosfato de hierro y litio en serie y en paralelo para crear un módulo de batería de 52 V y 2800 Ah. La capacidad total de la batería es de 145,6 kWh. Observe la gran barra colectora de cobre estañado sólido que conecta los módulos entre sí. Esta barra colectora tiene una capacidad nominal de 700 amperios de CC para adaptarse a las altas corrientes generadas en este sistema de CC de 48 voltios.
Módulos de fosfato de hierro y litio, cada uno de 700 Ah, 3,25 V. Dos módulos están conectados en paralelo para crear un único paquete de baterías de 3,25 V y 1400 Ah con una capacidad de 4,55 kWh.
  • Voltaje de la celda
    • Voltaje mínimo de descarga = 2,0-2,8 V [27] [28] [29]
    • Voltaje de funcionamiento = 3,0 ~ 3,3 V
    • Voltaje máximo de carga = 3,60-3,65 V [30] [28]
  • Densidad de energía volumétrica = 220  Wh / L (790 kJ/L)
  • Densidad energética gravimétrica > 90 Wh/kg [31] (> 320 J/g). Hasta 160 Wh/kg [1] (580 J/g). La última versión anunciada a finales de 2023 y a principios de 2024 introdujo mejoras significativas en la densidad energética, de 180 a 205  Wh /kg [32] sin aumentar los costes de producción.
  • La vida útil varía de 2700 a más de 10 000 ciclos según las condiciones. [6] Las versiones de alta densidad de energía de próxima generación tienen ciclos de vida de carga reducidos, probablemente alrededor de 5000 ciclos como máximo.

Comparación con otros tipos de baterías

La batería LFP utiliza una composición química derivada del ion de litio y comparte muchas ventajas y desventajas con otras composiciones químicas de baterías de ion de litio. Sin embargo, existen diferencias significativas.

Disponibilidad de recursos

El hierro y los fosfatos son muy comunes en la corteza terrestre . El LFP no contiene níquel [33] ni cobalto , ambos de suministro limitado y costosos. Al igual que con el litio, se han planteado preocupaciones en materia de derechos humanos [34] y ambientales [35] en relación con el uso del cobalto. También se han planteado preocupaciones ambientales en relación con la extracción de níquel. [36]

Costo

Un informe de 2020 publicado por el Departamento de Energía comparó los costos de los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala construidos con LFP frente a los de NMC. Encontró que el costo por kWh de las baterías LFP era aproximadamente un 6 % menor que el de las NMC, y proyectó que las celdas LFP durarían aproximadamente un 67 % más (más ciclos). Debido a las diferencias entre las características de las celdas, el costo de algunos otros componentes del sistema de almacenamiento sería algo más alto para las LFP, pero en general sigue siendo menos costoso por kWh que el de las NMC. [37]

En 2020, los precios más bajos informados para las células LFP fueron de $80/kWh (12,5 Wh/$) con un precio promedio de $137/kWh, [38] mientras que en 2023 el precio promedio había bajado a $100/kWh. [39] A principios de 2024, las células LFP del tamaño de VDA estaban disponibles por menos de 0,5 RMB /Wh (70 USD/kWh), mientras que el fabricante de automóviles chino Leapmotor declaró que compra células LFP a 0,4 RMB/Wh (56 USD/kWh) y cree que podrían bajar a 0,32 RMB/Wh (44 USD/kWh). [40] A mediados de 2024, las baterías LFP ensambladas estaban disponibles para los consumidores en los EE. UU. por alrededor de $115/kWh. [41]

Mejores características de envejecimiento y ciclo de vida.

La química LFP ofrece una vida útil considerablemente más larga que otras químicas de iones de litio. En la mayoría de las condiciones, admite más de 3000 ciclos y, en condiciones óptimas, admite más de 10 000 ciclos. Las baterías NMC admiten entre 1000 y 2300 ciclos, según las condiciones. [6]

Las células LFP experimentan una tasa más lenta de pérdida de capacidad (es decir, una mayor vida útil ) que las baterías de iones de litio, como las de cobalto ( LiCoO
2) o espinela de manganeso ( LiMn
2Oh
4) baterías de polímero de iones de litio (baterías LiPo) o baterías de iones de litio . [42]

Alternativa viable a las baterías de plomo-ácido

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 a través de 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 equilibrarse al menos 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, debido a la desintercalación irreversible de LiFePO 4 en FePO 4. [43]

Seguridad

Una ventaja importante sobre otras químicas de iones de litio es la estabilidad térmica y química, lo que mejora la seguridad de la batería. [35] [ se necesita una mejor fuente ] LiFePO
4Es un material de cátodo intrínsecamente más seguro que el LiCoO
2y espinelas de dióxido de manganeso por omisión del cobalto , cuyo coeficiente de temperatura negativo de resistencia puede fomentar el descontrol térmico . El enlace P – O en el (PO
4)3−
El ion es más fuerte que el enlace Co – O en el (CoO
2)−
ion, de modo que cuando se abusa de ellos ( cortocircuito , sobrecalentamiento , etc.), los átomos de oxígeno se liberan más lentamente. Esta estabilización de las energías redox también promueve una migración más rápida de iones. [44] [ se necesita una mejor fuente ]

A medida que el litio migra fuera del cátodo en un LiCoO
2célula, el CoO
2sufre una expansión no lineal que afecta la integridad estructural de la celda. Los estados completamente litiados y no litiados de LiFePO
4son estructuralmente similares, lo que significa que LiFePO
4Las células son estructuralmente más estables que las de LiCoO.
2células. [ cita requerida ]

No queda litio en el cátodo de una celda LFP completamente cargada. En una celda LiCoO
2Celda, queda aproximadamente el 50%. LiFePO
4es muy resistente durante la pérdida de oxígeno, lo que generalmente da como resultado una reacción exotérmica en otras celdas de litio. [20] Como resultado, LiFePO
4Las células son más difíciles de encender en caso de manipulación incorrecta (especialmente durante la carga). Las células LiFePO
4La batería no se descompone a altas temperaturas. [35]

Menor densidad energética

La densidad energética (energía/volumen) de una nueva batería LFP en 2008 era aproximadamente un 14% menor que la de una nueva LiCoO
2batería. [45] Dado que la tasa de descarga es un porcentaje de la capacidad de la batería, se puede lograr una tasa más alta utilizando una batería más grande (más amperios hora ) si se deben utilizar baterías de baja corriente.

Usos

Almacenamiento de energía en el hogar

Enphase fue pionera en LFP junto con SunFusion Energy Systems LiFePO 4 Ultra-Safe ECHO 2.0 y Guardian E2.0 baterías de almacenamiento de energía para el hogar o la empresa por razones de costo y seguridad contra incendios, aunque el mercado sigue dividido entre las químicas que compiten. [46] Aunque una menor densidad de energía en comparación con otras químicas de litio agrega masa y volumen, ambas pueden ser más tolerables en una aplicación estática. En 2021, hubo varios proveedores para el mercado de usuarios finales domésticos, incluidos SonnenBatterie y Enphase . Tesla Motors sigue utilizando baterías NMC en sus productos de almacenamiento de energía para el hogar, pero en 2021 cambió a LFP para su producto de batería a escala de servicios públicos. [47] Según EnergySage, la marca de baterías de almacenamiento de energía para el hogar más citada en los EE. UU. es Enphase, que en 2021 superó a Tesla Motors y LG . [48]

Vehículos

Este tipo de batería es ideal para carretillas elevadoras, bicicletas y coches eléctricos, ya que necesita una mayor velocidad de descarga para acelerar, es más ligera y tiene una vida útil más larga. Las baterías de LiFePO4 de doce voltios también están ganando popularidad como segunda batería (doméstica) para caravanas, autocaravanas o barcos. [49]

Tesla Motors utiliza baterías LFP en todos los modelos 3 e Y de rango estándar fabricados después de octubre de 2021 [50], excepto en los vehículos de rango estándar fabricados con 4680 celdas a partir de 2022, que utilizan una química NMC . [51]

En septiembre de 2022, las baterías LFP habían aumentado su participación en el mercado total de baterías para vehículos eléctricos al 31 %. De ellas, el 68 % fueron utilizadas por dos empresas, Tesla y BYD. [52]

Las baterías de fosfato de hierro y litio superaron oficialmente a las baterías ternarias en 2021 con el 52% de la capacidad instalada. Los analistas estiman que su cuota de mercado superará el 60% en 2024. [53]

En febrero de 2023, Ford anunció que invertirá 3.500 millones de dólares para construir una fábrica en Michigan que producirá baterías de bajo coste para algunos de sus vehículos eléctricos. El proyecto será propiedad exclusiva de una filial de Ford, pero utilizará tecnología bajo licencia de la empresa china de baterías Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL). [54]

Sistemas de iluminación alimentados con energía solar

En la actualidad, en algunas luces de paisaje alimentadas por energía solar se utilizan celdas LFP individuales "14500" ( del tamaño de una pila AA ) en lugar de NiCd / NiMH de 1,2 V. [ cita requerida ]

El voltaje de trabajo más alto de LFP (3,2 V) permite que una sola celda controle un LED sin circuitos para aumentar el voltaje. Su mayor tolerancia a sobrecargas moderadas (en comparación con otros tipos de celdas de Li) significa que las baterías LiFePO4
4Se puede conectar a células fotovoltaicas sin circuitos para detener el ciclo de recarga.

En 2013, aparecieron mejores lámparas de seguridad con detector de movimiento infrarrojo pasivo y carga solar . [55] Como las pilas 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 durante un máximo de 10 horas. Sin embargo, si la activación es solo ocasional, estas unidades pueden ser satisfactorias incluso cargándose con poca luz solar, ya que la electrónica de la lámpara garantiza corrientes "inactivas" después del anochecer de menos de 1 mA. [ cita requerida ]

Otros usos

Algunos cigarrillos electrónicos utilizan este tipo de baterías. Otras aplicaciones incluyen sistemas eléctricos marinos [56] y de propulsión, linternas, modelos radiocontrolados , equipos portátiles accionados por motor, equipos de radioaficionados, sistemas de sensores industriales [57] e iluminación de emergencia . [58]

Una modificación reciente consiste en sustituir el separador potencialmente inestable por un material más estable. [59] Descubrimientos recientes han demostrado que el LiFePO4 y , en cierta medida, el ion de litio pueden degradarse debido al calor. Cuando se desmontaron las celdas de prueba, se había formado un compuesto de color rojo ladrillo que, al analizarse, sugirió que la descomposición molecular del separador que antes se creía estable era un modo de fallo común. En este caso, las reacciones secundarias consumen gradualmente los iones de litio, atrapándolos en compuestos estables para que no puedan ser transportados. También las baterías de tres electrodos que permiten que los dispositivos externos detecten la formación de cortocircuitos internos son una posible solución a corto plazo para el problema de las dendritas.

Véase también

Referencias

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