Lithium-Eisenphosphat-Batterie - Lithium iron phosphate battery
Spezifische Energie | 90–160 Wh /kg (320–580 J/g oder kJ/kg) |
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Energiedichte | 325 Wh/ L (1200 kJ/L) |
Spezifische Leistung | ca. 200 W /kg |
Energie-/Verbraucherpreis | 3–12 Wh/US$ |
Zeitbeständigkeit | > 10 Jahre |
Zyklushaltbarkeit | 2.000-12000 Zyklen |
Zellnennspannung | 3,2 V |
Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie ( LiFePO
4Batterie ) oder LFP-Batterie ( Lithium-Ferrophosphat ), ist eine Art von Lithium-Ionen-Batterie , die Lithium-Eisen-Phosphat ( LiFePO .) verwendet
4) als Kathodenmaterial und eine graphitische Kohlenstoffelektrode mit metallischer Unterlage als Anode . Die Energiedichte von LiFePO
4ist niedriger als die von Lithium-Kobalt-Oxid ( LiCoO
2), Und hat auch eine geringere Betriebsspannung . Die Lade-Entlade-Profile von LFP-Zellen sind typischerweise sehr flach. Der Hauptnachteil von LiFePO
4ist seine geringe elektrische Leitfähigkeit . Daher sind alle LiFePO
4betrachtete Kathoden sind eigentlich LiFePO
4/C (Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff). Aufgrund der geringen Kosten, der geringen Toxizität, der genau definierten Leistung, der Langzeitstabilität usw. LiFePO
4findet eine Reihe von Rollen in der Fahrzeugnutzung , in stationären Anwendungen im Versorgungsmaßstab und in der Notstromversorgung . LFP-Batterien sind kobaltfrei.
Geschichte
LiFePO
4ist ein natürliches Mineral aus der Familie der Olivine ( Triphylit ). Arumugam Manthiram und John B. Goodenough identifizierten zuerst die Polyanionenklasse von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien . LiFePO
4wurde dann 1996 von Padhi et al. als Kathodenmaterial der Polyanionenklasse zur Verwendung in Batterien identifiziert. Reversible Extraktion von Lithium aus LiFePO
4und Insertion von Lithium in FePO
4demonstriert wurde. Aufgrund seiner geringen Kosten, seiner Ungiftigkeit, des natürlichen Eisenvorkommens , seiner hervorragenden thermischen Stabilität, seiner Sicherheitseigenschaften, seiner elektrochemischen Leistung und seiner spezifischen Kapazität (170 mAh / g oder 610 C / g ) hat es eine beträchtliche Marktakzeptanz gewonnen .
Das Haupthindernis für die Kommerzialisierung war die intrinsisch niedrige elektrische Leitfähigkeit . Dieses Problem wurde überwunden, indem die Partikelgröße reduziert und das LiFePO . beschichtet wurde
4Partikel mit leitfähigen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren oder beidem. Dieser Ansatz wurde von Michel Armand und seinen Mitarbeitern entwickelt. Ein weiterer Ansatz der Gruppe um Yet Ming Chiang bestand darin, LFP mit Kationen von Materialien wie Aluminium , Niob und Zirkon zu dotieren .
MIT hat eine neue Beschichtung eingeführt, die es den Ionen ermöglicht, sich innerhalb der Batterie leichter zu bewegen. Die "Beltway-Batterie" verwendet ein Bypass-System, das es den Lithium-Ionen ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit in die Elektroden ein- und auszutreten, die groß genug ist, um eine Batterie in weniger als einer Minute vollständig aufzuladen. Die Wissenschaftler herausgefunden , dass durch die Beschichtung von Lithiumeisenphosphat Partikel in einem glasigen Material namens Lithium Pyrophosphat , Ionen - Bypass - Kanäle und bewegen sich schneller als in anderen Batterien. Wiederaufladbare Batterien speichern und entladen Energie, wenn geladene Atome (Ionen) zwischen zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, bewegt werden. Ihre Lade- und Entladerate wird durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der sich diese Ionen bewegen. Eine solche Technologie könnte das Gewicht und die Größe der Batterien reduzieren. Es wurde ein kleiner Prototyp einer Batteriezelle entwickelt, der in 10 bis 20 Sekunden vollständig aufgeladen werden kann, verglichen mit sechs Minuten bei Standardbatteriezellen.
Negative Elektroden (Anode, bei Entladung) aus Petrolkoks wurden in frühen Lithium-Ionen-Batterien verwendet; spätere Typen verwendeten natürlichen oder synthetischen Graphit.
Spezifikationen
- Zellspannung
- Mindestentladespannung = 2,5 V
- Arbeitsspannung = 3,0 ~ 3,2 V
- Maximale Ladespannung = 3,65 V
- Volumetrische Energiedichte = 220 Wh / L (790 kJ/L)
- Gravimetrische Energiedichte > 90 Wh/kg (> 320 J/g). Bis zu 160 Wh/kg (580 J/g).
- 100 % DOD -Zykluslebensdauer (Anzahl der Zyklen bis 80 % der ursprünglichen Kapazität) = 2.000–7.000
- 10 % DOD - Zykluslebensdauer (Anzahl der Zyklen bis 80 % der ursprünglichen Kapazität) > 10.000
- Kathodenzusammensetzung (Gewicht)
- 90% C-LiFePO 4 , Klasse Phos-Dev-12
- 5% Kohlenstoff EBN-10-10 (überlegener Graphit)
- 5% Polyvinylidenfluorid (PVDF)
- Zellenkonfiguration
- Kohlebeschichteter Aluminium Stromabnehmer 15
- 1,54 cm 2 Kathode
-
Elektrolyt : Ethylencarbonat – Dimethylcarbonat (EC–DMC) 1–1 Lithiumperchlorat ( LiClO
4) 1M - Anode : Graphit oder Hartkohle mit eingelagertem metallischem Lithium
- Experimentelle Bedingungen:
- Zimmertemperatur
- Spannungsgrenzen: 2,0–3,65 V
- Laden: Bis zu C/1 Rate bis zu 3,6 V, dann konstante Spannung bei 3,6 V bis I < C/24
- Spannungsdiagramm und verbleibende Ladekapazität:
- Siehe Diagramm auf der rechten Seite mit der Bezeichnung "LiFePO 4 Spannung zur verbleibenden Kapazitäts- Prozenttabelle "
- Lithium-Eisenphosphat-Batterien in einem Elektroauto können nach Angaben eines Herstellers an einer Schnellladestation innerhalb von 15 Minuten zu 80 % und innerhalb von 40 Minuten zu 100 % geladen werden.
Vorteile und Nachteile
Die LiFePO
4Batterie verwendet eine von Lithium-Ionen abgeleitete Chemie und teilt viele Vor- und Nachteile mit anderen Chemikalien von Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede.
Häufigere Bestandteile mit geringeren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt
LFP enthalten weder Nickel noch Kobalt , die beide angebotsbeschränkt und teuer sind. Wie bei Lithium wurden auch bei der Verwendung von Kobalt Menschenrechts- und Umweltbedenken geäußert.
Preis
Im Jahr 2020 lagen die niedrigsten gemeldeten Zellpreise bei 80 USD/kWh (12,5 Wh/$).
Bessere Alterungs- und Zykluslebenseigenschaften
Die LFP-Chemie bietet eine längere Lebensdauer als andere Lithium-Ionen-Ansätze.
LiFePO
4Zellen erleiden einen langsameren Kapazitätsverlust (auch bekannt als längere Kalenderlebensdauer ) als Lithium-Ionen-Batterie- Chemikalien wie Kobalt ( LiCoO .).
2) oder Manganspinell ( LiMn
2Ö
4) Lithium-Ionen-Polymer-Akkus (LiPo-Akku) oder Lithium-Ionen-Akkus . Nach einem Jahr im Regal ist ein LiCoO
2Zelle hat typischerweise ungefähr die gleiche Energiedichte wie ein LiFePO
4 Zelle, wegen des langsameren Abfalls der Energiedichte von LFP.
Eine praktikable Alternative zu Blei-Säure-Batterien
Aufgrund der Nennleistung von 3,2 V können bei einer Nennspannung von 12,8 V vier Zellen in Reihe geschaltet werden. Dies kommt der Nennspannung von sechszelligen Blei-Säure-Batterien nahe . Zusammen mit den guten Sicherheitseigenschaften von LFP-Batterien macht dies LFP zu einem guten potentiellen Ersatz für Blei-Säure-Batterien in Anwendungen wie Automobil- und Solaranwendungen, vorausgesetzt, die Ladesysteme sind darauf ausgelegt, die LFP-Zellen nicht durch zu hohe Ladespannungen (über 3,6 .) zu beschädigen Volt DC pro Zelle während der Ladung), temperaturabhängige Spannungskompensation, Ausgleichsversuche oder kontinuierliche Erhaltungsladung . Die LFP-Zellen müssen vor dem Zusammenbau des Packs zumindest anfangs abgeglichen werden und es muss auch ein Schutzsystem implementiert werden, damit keine Zelle unter eine Spannung von 2,5 V entladen werden kann oder in den meisten Fällen schwere Schäden auftreten.
Hohe Spitzenstrom-/Leistungswerte
LiFePO
4hat höhere Strom- oder Spitzenleistungen als Lithium-Kobalt-Oxid LiCoO
2.
Sicherheit
Ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen Lithium-Ionen-Chemikalien ist die thermische und chemische Stabilität, die die Batteriesicherheit verbessert. LiFePO
4ist ein eigensichereres Kathodenmaterial als LiCoO
2und Mangandioxid- Spinelle durch Weglassen des Kobalts mit seinem negativen Temperatur- Widerstands- Koeffizienten, der thermisches Durchgehen begünstigen kann . Die P – O- Bindung im (PO
4)3−
Ion ist stärker als die CoO - Bindung in der (CoO
2)−
Ion, so dass bei Missbrauch ( Kurzschluss , Überhitzung usw.) die Sauerstoffatome langsamer freigesetzt werden. Diese Stabilisierung der Redoxenergien fördert auch eine schnellere Ionenwanderung.
Da Lithium in einem LiCoO . aus der Kathode wandert
2Zelle, das CoO
2unterliegt einer nichtlinearen Expansion, die die strukturelle Integrität der Zelle beeinflusst. Die vollständig lithiierten und unlithiierten Zustände von LiFePO
4sind strukturell ähnlich, was bedeutet, dass LiFePO
4Zellen sind strukturell stabiler als LiCoO
2 Zellen.
In der Kathode eines vollständig geladenen LiFePO . verbleibt kein Lithium
4Zelle. (In einem LiCoO
2Zelle, ca. 50 % verbleiben.) LiFePO
4ist bei Sauerstoffverlust hoch belastbar, was bei anderen Lithiumzellen typischerweise zu einer exothermen Reaktion führt. Dadurch wird LiFePO
4Zellen sind bei unsachgemäßer Handhabung (insbesondere beim Laden) schwerer zu entzünden. Die LiFePO
4Batterie zersetzt sich nicht bei hohen Temperaturen.
Geringere Energiedichte
Die Energiedichte (Energie/Volumen) einer neuen LFP-Batterie ist ca. 14 % geringer als die einer neuen LiCoO
2Batterie. Außerdem haben viele LFP-Marken sowie Zellen einer bestimmten Marke von LFP-Batterien eine niedrigere Entladerate als Blei-Säure oder LiCoO .
2. Da die Entladerate ein Prozentsatz der Batteriekapazität ist, kann eine höhere Rate durch die Verwendung einer größeren Batterie (mehr Amperestunden ) erreicht werden, wenn Batterien mit niedrigem Strom verwendet werden müssen. Besser noch, eine Hochstrom-LFP-Zelle (die eine höhere Entladerate hat als eine Bleisäure oder LiCoO
2 Batterie gleicher Kapazität) verwendet werden.
Verwendet
Energiespeicher zu Hause
Die meisten 'Lithium'-Heimspeicherbatterien verwenden aus Kosten- und Brandschutzgründen die LFP-Chemie. Die geringere Energiedichte als bei anderen Lithiumchemien ist bei dieser statischen Anwendung nicht von Bedeutung. Im Jahr 2021 gab es viele Anbieter: SonnenBatterie, Cyclendo, Enphase , Moixa, BYD, Givenergy, Lyth Energy Technology, Alpha-ESS, Puredrive, Saft, LithiumWerks, weitere erscheinen regelmäßig in einem aufstrebenden Markt.
Transport
Höhere Entladeraten für die Beschleunigung, geringeres Gewicht und längere Lebensdauer machen diesen Batterietyp ideal für Gabelstapler, Fahrräder und Elektroautos. Auch als Zweit-(Haus-)Batterie für Wohnwagen, Wohnmobil oder Boot werden 12V LiFePO 4 Akkus immer beliebter.
Tesla Motors verwendet derzeit LFP-Batterien in bestimmten Fahrzeugen, darunter seine in China hergestellten Standard Range Models 3 und Y sowie einige Model-3-Einheiten in den USA ab etwa August 2021.
Solarbetriebene Beleuchtungssysteme
In einigen solarbetriebenen Landschaftsbeleuchtungen werden jetzt einzelne "14500" ( AA-Batterie- große) LFP-Zellen anstelle von 1,2 V NiCd / NiMH verwendet .
Durch die höhere Arbeitsspannung von LFP (3,2 V) kann eine einzelne Zelle eine LED ohne Schaltung ansteuern, um die Spannung zu erhöhen. Seine erhöhte Toleranz gegenüber leichter Überladung (im Vergleich zu anderen Li-Zelltypen) bedeutet, dass LiFePO
4kann ohne Schaltung an Photovoltaikzellen angeschlossen werden, um den Ladezyklus zu stoppen. Die Möglichkeit, eine LED von einer einzigen LFP-Zelle zu betreiben, vermeidet auch Batteriehalter und damit die Korrosions-, Kondensations- und Schmutzprobleme, die mit Produkten verbunden sind, die mehrere austauschbare wiederaufladbare Batterien verwenden.
Bis 2013 kamen bessere solargeladene Passiv-Infrarot-Sicherheitslampen auf den Markt. Da LFP-Zellen der Größe AA eine Kapazität von nur 600 mAh haben (während die helle LED der Lampe 60 mA ziehen kann), leuchten die Geräte maximal 10 Stunden lang. Bei nur gelegentlicher Auslösung können solche Geräte jedoch auch bei schwacher Sonneneinstrahlung zufriedenstellend sein, da die Lampenelektronik für Nachtruheströme von unter 1 mA sorgt.
Andere Verwendungen
Viele Heim-EV-Umbauten verwenden die großformatigen Versionen als Traktionspaket des Autos. Mit dem vorteilhaften Leistungsgewicht, den hohen Sicherheitsmerkmalen und der Beständigkeit der Chemie gegen thermisches Durchgehen gibt es nur wenige Hindernisse für den Einsatz durch Hobby-Heimhersteller. Reisemobile werden wegen des hohen Zugs oft auf Lithium-Eisen-Phosphat umgerüstet.
Einige elektronische Zigaretten verwenden diese Art von Batterien. Andere Anwendungen umfassen Taschenlampen, funkgesteuerte Modelle , tragbare motorbetriebene Geräte, Amateurfunkgeräte, industrielle Sensorsysteme und Notbeleuchtung .