Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея (LiFePO4), известная также под аббревиатурой LFP, представляет собой один из типов литий-ионных аккумуляторов с твердым электролитом. Особенностью данной технологии является использование фосфата лития и железа (LiFePO4) в качестве катодного материала, что обеспечивает ей ряд преимуществ.
В отличие от других литий-ионных батарей, LFP аккумуляторы выделяются повышенной безопасностью благодаря стабильности катодного материала при высоких температурах.
Это свойство значительно снижает риск возгорания и взрыва, что делает их идеальным выбором для применения в электромобилях и стационарных системах хранения энергии. Кроме того, LFP батареи обладают долгим сроком службы, выдерживая до 2000 циклов зарядки-разрядки без значительной потери емкости.
Еще одним важным преимуществом является экологичность: в составе LiFePO4 отсутствуют тяжелые металлы, такие как кобальт, что делает их более предпочтительными с точки зрения утилизации и воздействия на окружающую среду. Их высокая энергоэффективность и низкий саморазряд расширяют область применения, включая использование в качестве резервных источников питания, в системах возобновляемой энергетики и портативной электронике.
История
В 1996 году Джон Гуденаф из исследовательской группы Техасского университета обнаружил LiFePO4 как подходящий катодный материал для перезаряжаемых литиевых батарей. Этот материал быстро привлек внимание рынка благодаря своей низкой себестоимости производства, нетоксичности, наличию железа, отличной термической стабильности, свойствам безопасности, хорошим электрохимическим характеристикам и высокой удельной емкости (170 мАч/г).
Однако, основным препятствием для его более широкого коммерческого использования была высокое внутреннее сопротивление аккумуляторов из LiFePO4.
Эта проблема была решена путем покрытия частиц LiFePO 4 проводящими материалами, такими как углерод, и частично за счет использования так называемых легированных полупроводников (чрезвычайно чистых). В частности, были применены процедуры легирования и науглероживания, разработанные Йет-Минг Чангом и его коллегами из Массачусетского технологического института с использованием катионов таких материалов, как алюминий, ниобий и цирконий.
Позже было обнаружено, что значительное улучшение проводимости было достигнуто благодаря присутствию наноскопических ядер, полученных из органического углерода. Упомянутые материалы начали производиться на предприятии A123Systems и далее обрабатываться такими компаниями, как Black and Decker, DeWalt, General Motors, Chevrolet Volt, Daimler AG, Cessna и BAE Systems.
С тех пор как эти проблемы были преодолены, LFP-батареи стали все более популярными в различных отраслях, включая автомобильную промышленность и производство портативной электроники.
Их высокая удельная емкость и отличная термическая стабильность делают их идеальными для электромобилей, которые требуют долговечных и надежных источников питания. Кроме того, их безопасность и нетоксичность делают их привлекательными для использования в потребительской электронике, где безопасность является ключевым фактором.
В будущем ожидается, что спрос на LFP-батареи будет продолжать расти по мере того, как все больше и больше производителей и потребителей начинают осознавать их преимущества. С развитием технологии и улучшением процессов производства ожидается, что стоимость LFP-батарей будет снижаться, делая их еще более доступными для широкого круга потребителей.
Преимущества и недостатки
Литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4), или LFP используют химические реакции с литием и имеют много общего с современными литий-ионными батареями. Среди ключевых преимуществ LiFePO4 можно выделить безопасность (стойкость к тепловым утечкам) и способность выдавать большой ток при пиковом потреблении.
LFP-батареи обладают высокой энергетической плотностью, что позволяет им хранить большое количество энергии в относительно небольшом объеме. Это делает их идеальными для использования в портативных устройствах, таких как смартфоны и ноутбуки.
LFP-батареи обладают отличной термической стабильностью, что означает, что они могут работать при высоких температурах без риска перегрева или взрыва. Это делает их безопасными для использования в автомобилях и других приложениях, где безопасность является ключевым фактором.
Также LFP-батареи имеют долгий срок службы и способны выдерживать большое количество циклов зарядки и разрядки без значительного ухудшения производительности. Это делает их экономически выгодными в долгосрочной перспективе, поскольку они не требуют частой замены.
Наконец, LFP-батареи являются экологически безопасными, поскольку они не содержат тяжелых металлов и других вредных веществ, которые могут нанести ущерб окружающей среде. Однако, как и любая технология, LFP-батареи имеют свои недостатки. Одним из них является их относительно высокая стоимость по сравнению с другими типами батарей. Кроме того, они требуют сложного процесса производства, который может быть дорогостоящим и трудоемким.
Недостатки:
- Низкое номинальное напряжение: LFP-батареи имеют номинальное напряжение от 3 до 3,3 В, что ниже, чем у некоторых других типов литий-ионных батарей.
- Меньшая энергоемкость: Энергоемкость LFP-батарей меньше, чем у некоторых других типов литий-ионных батарей.
- Уязвимость к влажности: LFP-батареи могут быть уязвимы для разрушения во влажной среде.
- Производительность при низких температурах: Производительность LFP-батарей значительно ухудшается при низких температурах. Например, они могут потерять до 85% емкости после 100 циклов при -10°C.
- Эффект Пойкерта: LFP-батареи подвержены эффекту Пойкерта, который означает, что они не могут отдать полную емкость при больших токах разряда.
Технические характеристики литий-железо-фосфатных аккумуляторов
Напряжение элемента:
- Минимальное напряжение разряда: 2 В.
- Рабочее напряжение: 3.0-3.3 В.
- Максимальное напряжение заряда: 3.65 В.
Плотность энергии:
- Гравиметрическая плотность энергии: 90-160 Вт•ч/кг.
- Объемная плотность энергии: 220-350 Вт•ч/дм3
Циклы заряд-разряд:
- До потери 20% ёмкости: 2000-7000 циклов.
Удельная мощность: >6.6 Вт/г (при разряде током 60С).
Диапазон рабочих температур:
- При разряде: от ?30 °C до +55 °C.
- При заряде: от 0 °C до 40 °C.
Срок службы и хранения:
- Срок хранения: до 15 лет.
- Саморазряд при комнатной температуре: 3-5% в месяц.
Безопасность
LiFePO4 значительно превосходит LiCoO2 по безопасности как катодный материал. Связь Fe-P-O обладает большей прочностью, чем связь Co-O. В случае короткого замыкания, перегрева и других неправильных применений, удаление атомов кислорода становится значительно сложнее. Эта стабилизация окислительно-восстановительной реакции также способствует быстрому перемещению ионов. Авария происходит только при сильном перегреве (800 °C и выше).
Когда литий вытесняется с катода элемента LiCoO2, CoO2 подвергается нелинейному расширению, что влияет на структурную целостность элемента.
Полностью литированное и нелитированное состояния LiFePO4 структурно схожи, что обеспечивает лучшую структурную стабильность LiFePO4, по сравнению с LiCoO2. В полностью заряженном аккумуляторе с LiFePO4 на катоде не остается лития — в аккумуляторе с LiCoO2 на катоде остается около 50%.
LiFePO4 обладает высокой устойчивостью к потере кислорода, что приводит к экзотермической реакции в литиевых батареях других типов.
Эти свойства делают аккумуляторы с LiFePO4 предпочтительным выбором для применений, требующих высокой надежности и безопасности.
Например, в электромобилях, где безопасность является критически важным фактором, использование LiFePO4 может значительно снизить риск возгорания батареи в случае аварии или неисправности. Кроме того, стабильность LiFePO4 позволяет создавать батареи с более длительным сроком службы, что снижает общую стоимость владения и эксплуатации.
В области портативной электроники LiFePO4 также находит свое применение благодаря своей способности выдерживать большое количество циклов зарядки и разрядки без значительного снижения емкости. Это делает его идеальным для устройств, которые часто используются и требуют постоянной подзарядки, таких как смартфоны и ноутбуки.
С учетом текущих тенденций в области устойчивого развития и возобновляемых источников энергии, LiFePO4 обещает играть важную роль в будущем энергетических технологий. Его экологические преимущества, такие как отсутствие токсичных тяжелых металлов и возможность полного переработки, делают его одним из самых перспективных материалов для следующего поколения аккумуляторных систем.
Использование
В мае 2007 года компания Lithium Technology объявила о разработке новой литий-ионной батареи, подходящей для питания гибридных автомобилей. В своем отчете они утверждали, что это “самые большие изделия подобного рода в мире”.
Батареи ThunderSky LiFePO4 стали популярны среди моделистов, затем они начали использоваться в электромобиле производства Aptera и в проекте “Один ноутбук на ребенка” (OLPC).
С тех пор технология литий-железо-фосфатных аккумуляторов продолжила свое развитие, и к 2024 году она достигла новых высот.
Современные LFP-батареи обладают улучшенной плотностью энергии, увеличенным числом циклов зарядки-разрядки и оптимизированными характеристиками для работы в широком диапазоне температур. Эти усовершенствования позволили LFP-батареям найти применение в более широком спектре приложений, от стационарных систем хранения энергии до передовых электромобилей и аэрокосмической техники.
Андрей Повный