La batería de fosfato de hierro y litio ( LiFePO
4batería ) 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, ciclo de vida prolongado 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 . [6] Las baterías LFP no contienen cobalto. [7] En septiembre de 2022, la participación de mercado de baterías tipo LFP para vehículos eléctricos alcanzó el 31%, y de esa cifra, el 68% provino únicamente de la producción de Tesla y el fabricante chino de vehículos eléctricos BYD. [8] Los fabricantes chinos actualmente tienen casi el monopolio de la producción de baterías LFP. [9] Dado que las patentes comenzaron a expirar en 2022 y la mayor demanda de baterías para vehículos eléctricos más baratas, [10] 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. [11]
La densidad de energía de las baterías LFP es menor que la de otros tipos comunes de baterías de iones de litio, como las de níquel, manganeso y cobalto (NMC) y las de níquel, cobalto y aluminio (NCA) . La densidad de energía de la batería LFP de CATL es actualmente de 125 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) y posiblemente hasta 160 Wh/kg con tecnología de embalaje mejorada. La densidad de energía de la batería LFP de BYD es de 150 Wh/kg. Las mejores baterías NMC exhiben densidades de energía de más de 300 Wh/kg. En particular, la densidad de energía 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 presentan un voltaje de funcionamiento más bajo que otros tipos de baterías de iones de litio.
LiFePO
4Es un mineral natural de la familia de los olivinos ( trifilita ). Arumugam Manthiram y John B. Goodenough identificaron por primera vez la clase de polianiones de materiales catódicos para baterías de iones de litio . [12] [13] [14] LiFePO
4Luego fue identificado como un material catódico perteneciente a la clase de polianiones para uso en baterías en 1996 por Padhi et al. [15] [16] Extracción reversible de litio a partir de LiFePO
4e inserción de litio en FePO
4quedó demostrado. Debido a su bajo costo, no toxicidad, la abundancia natural de hierro , su excelente estabilidad térmica, características de seguridad, rendimiento electroquímico y capacidad específica (170 mA·h / g , o 610 C / g ), ha ganado una considerable aceptación en el mercado. . [17] [18]
La principal barrera para la comercialización fue su conductividad eléctrica intrínsecamente baja . Este problema se superó reduciendo el tamaño de las partículas, recubriendo el LiFePO
4partículas con materiales conductores como nanotubos de carbono , [19] [20] o ambos. Este enfoque fue desarrollado por Michel Armand y sus compañeros de trabajo en Hydro-Québec y la Universidad de Montreal . [21] [22] [23] Otro enfoque del grupo de Yet Ming Chiang en el MIT consistió en dopar [17] LFP con cationes de materiales como aluminio , niobio y circonio .
En las primeras baterías de iones de litio se utilizaron electrodos negativos (ánodo, en descarga) hechos de coque de petróleo ; Los tipos posteriores utilizaron grafito natural o sintético. [24]
La batería LFP 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.
El hierro y los fosfatos son muy comunes en la corteza terrestre . LFP no contiene níquel [30] ni cobalto , los cuales tienen una oferta limitada y son caros. Al igual que con el litio, se han planteado preocupaciones sobre los derechos humanos [31] y el medio ambiente [32] en relación con el uso del cobalto. También se han planteado preocupaciones medioambientales con respecto a la extracción de níquel. [33]
En 2020, los precios más bajos de las celdas LFP reportados fueron de $80/kWh (12,5Wh/$) con un precio promedio de $137/kWh, [34] mientras que en 2023 el precio promedio había caído a $100/kWh. [35]
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 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 la celda, el costo de algunos otros componentes del sistema de almacenamiento sería algo mayor para LFP, pero en general sigue siendo menos costoso por kWh que NMC. [36]
La química LFP ofrece un ciclo de vida considerablemente más largo 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. [5]
Las celdas LFP experimentan una tasa más lenta de pérdida de capacidad (también conocida como mayor vida útil ) que las químicas de 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 (batería LiPo) o baterías de iones de litio . [37]
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 las LFP sean un buen reemplazo potencial para las baterías de plomo-ácido en aplicaciones como automoción y aplicaciones solares, siempre que los sistemas de carga estén adaptados para no dañar las celdas LFP debido a voltajes de carga excesivos (más allá de 3,6). voltios CC por celda mientras está bajo carga), compensación de voltaje basada en temperatura, intentos de ecualización o carga lenta continua . Las celdas LFP deben estar al menos equilibradas inicialmente antes de ensamblar el paquete y también es necesario implementar un sistema de protección para garantizar que ninguna celda pueda descargarse por debajo de un voltaje de 2,5 V o, en la mayoría de los casos, se producirán daños graves debido a la desintercalación irreversible de LiFePO 4 en FePO 4 . [38]
Una ventaja importante sobre otras químicas de iones de litio es la estabilidad térmica y química, que mejora la seguridad de la batería. [32] LiFePO
4es un material catódico intrínsecamente más seguro que el LiCoO
2y espinelas de dióxido de manganeso mediante la omisión del cobalto , cuyo coeficiente de temperatura negativo de resistencia puede favorecer la fuga térmica . El enlace P – O en el (PO4)3-El ion es más fuerte que el enlace Co – O en el (CoO
2)−
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. [39]
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 célula. Los estados totalmente litiados y no litiados de LiFePO
4son estructuralmente similares, lo que significa que LiFePO
4Las células son más estables estructuralmente que el LiCoO .
2células. [ cita necesaria ]
No queda litio en el cátodo de una celda LFP completamente cargada. En un LiCoO
2célula, queda aproximadamente el 50%. LiFePO
4Es muy resistente durante la pérdida de oxígeno, lo que normalmente resulta en una reacción exotérmica en otras celdas de litio. [18] Como resultado, LiFePO
4Las celdas son más difíciles de encender en caso de mal manejo (especialmente durante la carga). El LiFePO
4La batería no se descompone a altas temperaturas. [32]
La densidad de energía (energía/volumen) de una nueva batería LFP es aproximadamente un 14% menor que la de una nueva LiCoO
2batería. [40] 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.
Enphase fue pionera en LFP junto con las baterías de almacenamiento de energía para el hogar o la empresa LifePO4 Ultra-Safe ECHO 2.0 de SunFusion Energy Systems y Guardian E2.0 por razones de costo y seguridad contra incendios, aunque el mercado sigue dividido entre las químicas competidoras. [41] Aunque una densidad de energía más baja en comparación con otras químicas del litio agrega masa y volumen, ambos 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 baterías a escala comercial. [42] Según EnergySage, la marca de baterías de almacenamiento de energía doméstica más citada en los EE. UU. es Enphase, que en 2021 superó a Tesla Motors y LG . [43]
Las tasas de descarga más altas necesarias para la aceleración, el menor peso y la vida útil más larga hacen que este tipo de batería sea ideal para carretillas elevadoras, bicicletas y automóviles eléctricos. Las baterías LiFePO 4 de 12 V también están ganando popularidad como segunda batería (doméstica) para caravanas, autocaravanas o barcos. [44]
Tesla Motors utiliza baterías LFP en todos los Modelos 3 e Y de gama estándar fabricados después de octubre de 2021 [45], excepto en los vehículos de gama estándar fabricados con 4680 celdas a partir de 2022, que utilizan una química NMC . [46]
En septiembre de 2022, las baterías LFP habían aumentado su participación de mercado en todo el mercado de baterías para vehículos eléctricos al 31%. De ellos, el 68% fueron implementados por dos empresas, Tesla y BYD. [47]
Las baterías de fosfato de hierro y litio superaron oficialmente a las baterías ternarias en 2021 con un 52% de la capacidad instalada. Los analistas estiman que su cuota de mercado superará el 60% en 2024. [48]
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 total de una filial de Ford, pero utilizará tecnología con licencia de la empresa china de baterías Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL). [49]
Ahora se utilizan celdas LFP individuales "14500" ( del tamaño de una batería AA ) en algunas iluminaciones de paisajes alimentadas por energía solar en lugar de NiCd / NiMH de 1,2 V. [ cita necesaria ]
El voltaje de trabajo más alto (3,2 V) del LFP permite que una sola celda impulse un LED sin circuitos para aumentar el voltaje. Su mayor tolerancia a una sobrecarga modesta (en comparación con otros tipos de células de Li) significa que LiFePO
4Se puede conectar a células fotovoltaicas sin necesidad de circuitos para detener el ciclo de recarga.
En 2013, surgieron mejores lámparas de seguridad con detector de movimiento infrarrojo pasivo y carga solar . [50] Como las celdas LFP de tamaño AA tienen una capacidad de sólo 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 sólo ocasional, estas unidades pueden ser satisfactorias incluso cargando con poca luz solar, ya que la electrónica de la lámpara garantiza corrientes "inactivas" en la oscuridad de menos de 1 mA. [ cita necesaria ]
Algunos cigarrillos electrónicos utilizan este tipo de baterías. Otras aplicaciones incluyen sistemas eléctricos marinos [51] y propulsión, linternas, modelos radiocontrolados , equipos portátiles impulsados por motor, equipos de radioaficionado, sistemas de sensores industriales [52] e iluminación de emergencia . [53]
Una modificación reciente discutida aquí [54] es reemplazar el separador potencialmente inestable con un material más estable. Descubrimientos recientes encontraron que el LiFePO4 y, hasta cierto punto, los iones de litio pueden degradarse debido al calor; cuando se desmontaron las células de prueba, se formó un compuesto rojo ladrillo que, cuando se analizó, sugirió que la ruptura molecular del separador estable que antes se creía era un modo de falla común. En este caso, las reacciones secundarias consumen gradualmente iones de Li, atrapándolos en compuestos estables para que no puedan ser transportados. Además, las baterías de tres electrodos que permiten que los dispositivos externos detecten la formación de cortocircuitos internos son una posible solución a corto plazo al problema de las dendritas.
{{cite encyclopedia}}: |work=ignorado ( ayuda ){{cite tech report}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace )La prueba actual proyecta una vida útil excelente: 17 % de crecimiento
de impedancia
y 23 % de pérdida de capacidad en 15 años al 100 %
de SOC
, 60 °C.