Una batería de litio-ferrofosfato o batería LFP es un tipo de batería recargable, concretamente una batería de ion-litio con un cátodo de fosfato de hierro-litio: .
Las baterías presentan una densidad energética algo menorhttps://www.pobot.org/Batteries-A123.html que las más comunes de óxido de litio cobalto (), que se encuentran con frecuencia en aparatos electrónicos, pero ofrecen mayor durabilidad (hasta 10X), mayor potencia y son inherentemente más seguras, por lo que se utilizan con frecuencia en robótica, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía.
Historia
es un mineral de procedencia natural del grupo olivino (triphylite). Su primer uso como electrodo en una batería se describió en literatura publicada por el grupo de investigación de John Goodenough en la Universidad de Texas en 1996,": A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries", A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, Electrochimical Society Meeting Abstracts, 96-1, May, 1996, pp 73 como un material catódico para baterías recargables de litio. Por su bajo coste, no toxicidad, abundancia del hierro, su excelente estabilidad térmica, seguridad, rendimiento, y capacidad específica (170 mA·h/g, o 610 C/g) ha ganado bastante aceptación. sciencenews.org
Inicialmente el factor limitante para su adopción era intrínsecamente su baja conductividad eléctrica. Este problema se solucionó reduciendo el tamaño de sus partículas, revistiendo las partículas con materiales conductores como carbono, y dopando el resultado con cationes de materiales como el aluminio, niobio, y zirconio. Esta solución fue desarrollada por Yet-Ming Chiang y sus colegas en el MIT. Ahora se producen en masa y se utilizan en productos industriales por corporaciones como equipos DeWalt de Black and Decker, el Fisker Karma, Daimler, Cessna y BAE Systems.
El MIT ha descubierto un nuevo recubrimiento que permite a los iones moverse más fácilmente en la batería. La "Batería Beltway" utiliza un sistema baipás que permite a los iones de litio entrar y dejar los electrodos a una velocidad suficiente como para cargar completamente una batería en menos de un minuto. Los científicos descubrieron que recubriendo las partículas de un material vítreo llamado pirofosfato de litio, los iones atraviesan los canales y se mueven más rápido que en otras baterías. Las baterías recargables almacenan y descargan la energía como átomos cargados (iones) entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo. Su ratio de carga y descarga son limitadas por la velocidad a la cual esos iones se mueven. Dicha tecnología podría reducir el peso y tamaño de las baterías. Se ha desarrollado una pequeña celda-prototipo que puede cargarse completamente entre 10 y 20 segundos, comparados con los seis minutos para celdas de baterías estándar.New Battery Technology Charges in Seconds
Ventajas y desventajas
La batería utiliza una química derivada de la tecnología litio-ion, y comparte muchos inconvenientes y ventajas de las baterías de este tipo. Sin embargo, hay diferencias sustanciales.
La química LFP presenta una durabilidad mayor que otras baterías de Ion de Litio.
Al igual que las baterías recargables basadas en níquel, (diferenciándose de algunas baterías de iones de litio), las baterías LiFePO4 tienen un voltaje de descarga muy constante. Su voltaje se mantiene cerca de los 3,2 V durante la descarga hasta que la pila se vacía. Esto permite a la batería entregar virtualmente toda la energía hasta su descarga completa. Y puede simplificar mucho o incluso eliminar la necesidad de circuitería de regulación de voltaje.
Al dar una salida de 3,2 V nominal, se pueden conectar en serie cuatro celdas para un voltaje nominal de 12,8 V. Este voltaje se acerca mucho al voltaje nominal de una batería de plomo de seis celdas. Y, además de sus excelentes características en seguridad, esto convierte a la LFP como una buena alternativa para las baterías de plomo en muchas aplicaciones como vehículos y solar, siempre que los sistemas de carga estén adaptados para no dañar las baterías con voltajes excesivos de carga, compensación de voltaje a través de temperatura, trucos de balanceo o carga de mantenimiento continuo, propio de las baterías de plomo. Las celdas LFP deben ser balanceadas al menos inicialmente antes de que se ensamblen, y debe instalarse un sistema de protección para que ninguna celda sea descargada por debajo de los 2,0 V, o en la mayoría de los casos se producirán daños internos.
La utilización de fosfatos evita el coste del cobalto y riesgos medioambientales, particularmente que éste termine en medio ambiente por ser inapropiadamente desechado.
El compuesto presenta corrientes y potencias instantáneas más altas que el .A Better Battery? The Lithium Ion Cell Gets Supercharged, Adam Hadhazy , Scientific American, 2009-03-11.
La densidad de energía (energía/volumen) de una batería LFP nueva es alrededor de un 30% más baja que la de una batería .Guo, Y.; Hu, J.; Wan, L. "Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv Mater 2008; 20, 2878–2887 Además, las baterías LFP de baja calidad de algunos fabricantes presentan menores ratios de descarga que las de plomo-ácido o incluso que las LiCoO2. Como el ratio de descarga es un porcentaje de la capacidad de la batería, se puede conseguir un mayor ratio de descarga utilizando una batería más grande, o con más celdas (más amperio-hora/amperios-hora) si es necesario utilizar pilas de poca capacidad.
Las celdas experimentan un ratio menor de pérdida de capacidad (más longevidad) que otras químicas como la (cobalto), (litio-manganeso) o (polímero de litio).A123Systems "...Current test projecting excellent calendar life: 17% impedance growth and 23% capacity loss in 15 [fifteen!] years at 100% SOC, 60 deg. C..." Después de un año almacenadas, una celda habitualmente tiene aproximadamente la misma densidad de energía que una celda de litio , por la menor degradación de la LFP. A partir de ahí, las conservan una mayor densidad de energía. Seguridad Una ventaja importante sobre otros compuestos químicos de iones de litio es su estabilidad química y térmica, la cual mejora la seguridad de la batería. Electropaedia- Battery and Energy Technologies La contiene un material catódico intrínsecamente más seguro que la y la . El enlace Fe-P-O es más fuerte que el enlace Co-O, por lo que, cuando se somete a abuso (cortocircuito, sobrecalentamiento, etc) los átomos de oxígeno son más difíciles de separar. Esta estabilidad de la energía subyacente también ayuda en una rápida migración iónica.
Según los iones de litio migran fuera del cátodo en una celda , el CoO2 se somete a expansión no lineal que afecta a la integridad estructural de la célula. Los estados "litiados" y "deslitiados" de las son estructuralmente similares lo que conlleva que las celdas son más estables estructuralmente que las celdas , por lo pierden menos capacidad según se realizan ciclos de carga-descarga, alargando su vida hasta 10 veces con respecto a otras compuestos.
No queda litio en cátodo en una celda totalmente cargada, en cambio en una , aproximadamente el 50% permanece en el cátodo. La es muy resistente durante la pérdida de oxígeno, que por el contrario suele resultar en una reacción exotérmica en otras celdas de litio (en forma de calor).
Como resultado, es más difícil que una celda de litio-ferrofosfato entre en combustión en el caso de un mal uso (especialmente en la carga), aunque como cualquier batería, disipa la energía de sobrecarga en forma de calor. Por lo tanto, un fallo catastrófico de la batería por abuso todavía es posible, aunque es comúnmente aceptado que la batería de litio-ferrofosfato tolera bien las altas temperaturas. En este sentido, es particularmente notable la diferencia entre las LFP y las de polímero de litio utilizadas en aeromodelismo (más ligeras pero menos seguras).
Especificaciones Voltaje de celda Voltaje mín. de descarga = 2,5V Voltaje de trabajo = Voltaje máximo de carga = 3,65 V Densidad energética por volumen = 220 Wh/dm³ (790 kJ/dm³) Densidad de energía gravimétrica > 90 Wh/kg (> 320 J/g) Ciclos con profundidad de descarga del 100% (número de ciclos hasta llegar al 80% de la capacidad inicial) = 2,000–7,000 Ciclos con profundidad de descarga del 10% (número de ciclos hasta llegar al 80% de la capacidad inicial) > 10,000GWL-Power: Winston 90Ah over 10.000 /13.000 cycles, PDF, 21. February 2012. Sony Fortelion: 71% de capacidad después de 8.000 ciclos con el 100% de profundidad de descarga.Sony Fortelion page 13 , PDF, included at 3. January 2015. Composición del cátodo (relación) 90% C-LiFePO4, grado Phos-Dev-12 5% carbono EBN-10-10 (grafito) 5% PVDF Configuración de la celda Colector de corriente de aluminio recubierto de carbono cátodo: 1.54 cm² Electrolito: Carbonato de etileno-Carbonato de dimetilo (EC-DMC) 1-1 LiClO4 1M Ánodo: Grafito o carbono endurecido con litio metálico intercalado Condiciones experimentales: Temperatura ambiente Límites de voltaje: Carga: Ratio 1C hasta to 3,6 V, después voltaje constante a 3,6 V hasta que I < C/24
Utilización
Transporte Los altos ratios de descarga necesarios para la aceleración, su menor peso y mayor durabilidad hacen de este tipo de batería ideal para bicis y coches eléctricos.
Esta batería se utiliza en el coche eléctrico fabricado por Aptera www.quicc.eu y Quicc!. www.quicc.eu
KillaCycle, una moto eléctrica, utiliza baterías de litio-ferrofosfato.
Roehr Motorcycle Company utiliza una batería LFP de 5,8 kW·h de capacidad para alimentar su motocicleta eléctrica.
Las baterías LFP también son utilizadas por fabricantes de vehículos eléctricos Smith Electric Vehicles para alimentar sus productos.
BYD, otro fabricante de vehículos, utiliza sus baterías de litio-ferrofosfato para energizar sus PHEV, el F3DM y el F6DM (Híbrido), que fue de los primeros híbridos en comercializarse. Los coches se fabricaron en masa en 2009.China Daily 2008-12-16 08:13 "BYD zooms past Toyota, GM in electric car race" En octubre de 2014, BYD anunció un autobús eléctrico a batería de 120 pasajeros y 18 m de largo con una autonomía de más de 270 km que utiliza este tipo de baterías.
En mayo de 2007 Lithium Technology Corp. anunció una batería de litio-ferrofosfato con células lo suficientemente grandes para ser utilizadas en coches híbridos, anunciando que eran las "células más grandes de ese tipo en el mundo" en ese momento. lithiumtech.com
El patinete eléctrico sin escobillas "Super Lithium 1500" utiliza una batería LiFePO4 de 48V y 60A (20Ah) que es uno de los patinetes más potentes actualmente en producción. Según la compañía, esta batería LFP catapultará al piloto hasta los 65 km/h con una autonomía de 40/55 millas dependiendo del peso del conductor, cuestas y otras condiciones. También indican que esta batería reduce en 8 kg sobre su modelo de batería de plomo-ácido y tiene una durabilidad de 1000 ciclos de recarga completa.
Rimac Automobili ha desarrollado un avanzado sistema de batería LFP con un controlador integrado y sistema de refrigeración por agua, principalmente para su supercoche eléctrico "Concept One", con posibilidad de adquirir el sistema de batería independientemente.
Los monopatines eléctricos de ZBoard utilizan baterías LFP, con autonomías de hasta 32 km.
Los carritos de golf eléctricos de Golfskatecaddy para una persona utilizan baterías LFP, permitiendo hacer hasta 18 hoyos con él.
Las camionetas eléctricas de EV-Fleet utilizan una batería LFP de 50kWh LFP con una autonomía de más de 160 km .
Iluminación solar en jardines y sistemas de luz de emergencia Una única pila recargable LFP de tamaño "14500" (el mismo que las AA) se utilizan en algunas lámparas solares de jardín en lugar de dos pilas AA de 1,2 V NiCd/NiMH.