Akumulatory LFP » Nowoczesne magazynowanie energii z wykorzystaniem fosforanu litowo-żelazowego
Akumulatory litowo-jonowe są idealnie dopasowane do wielu zastosowań mobilnych i stacjonarnych. Posiadają one ogromną gęstość energii, która pomimo wysokiej pojemności magazynowania pozwala na bardzo kompaktową konstrukcję. Nasze super cienkie smartfony są tego najlepszym dowodem.
Przemysł motoryzacyjny w coraz większym stopniu stawia na wydajne akumulatory litowe w różnych wersjach, takich jak ogniwa NMC lub NCA.
Niestety, oprócz wielu wspaniałych zalet, istnieją również pewne wady, których nie chcemy ukrywać. Akumulatory litowe wykorzystują drogie surowce, takie jak nikiel, mangan czy kobalt, z których część jest wydobywana i sprzedawana w budzących wątpliwości okolicznościach.
Kolejnym newralgicznym punktem jest niestabilność termiczna, która była przyczyną wielu pożarów akumulatorów. Aby zapanować nad tymi problemami, opracowano akumulatory z fosforanem litowo-żelazowym (LFP), które chcielibyśmy tutaj przedstawić.
Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy jest również znany jako LEP lub LFP, gdzie LFP oznacza żelazofosforan litu (LiFePO4). W związku z tym baterie LFP należą również do dużej rodziny ogniw litowych.
Elektroda dodatnia akumulatora składa się z fosforanu litowo-żelazowego i nie zawiera niklu, chromu ani manganu. Podobnie jak w przypadku innych baterii litowych, elektroda ujemna akumulatora wykonana jest z grafitu.
Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są dostępne w wersji cylindrycznej, zazwyczaj jako ogniwa 14500, 18650 lub 26650. Producenci oferują jednak również ogniwa w płaskich obudowach zamkniętych w folii aluminiowej lub ogniwa pryzmatyczne z solidną obudową (patrz zdjęcie na tle).
Chociaż technologia ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych została opracowana pod koniec lat 90-tych, to niestety do tej pory nie doczekała się ona znaczącego przełomu.
Znaczący wzrost cen niklu, kobaltu i manganu sprawił, że akumulatory LFP stały się dla branży niezwykle atrakcyjne. Zwłaszcza, że dalszy rozwój techniczny technologii LFP pomaga akumulatorom osiągać coraz większą pojemność.
Nasze rekomendacje dotyczące akumulatorów LiFePO4
Akumulatory LiFePO4 zasadniczo działają na tej samej zasadzie, co wszystkie ogniwa litowo-jonowe wielokrotnego ładowania.
Proces ładowania
Zewnętrzne napięcie ładowania odciąga ujemnie naładowane elektrony od dodatniego bieguna akumulatora. W rezultacie dodatnio naładowane jony litu migrują wewnętrznie z elektrody dodatniej przez elektrolit i separator do elektrody ujemnej. Tam jony litu absorbują elektrony dostarczane przez ładowarkę i osadzają się w graficie elektrody ujemnej.
Proces rozładowywania
W celu rozładowania wystarczy podłączyć odbiornik do dwóch zacisków akumulatora. Lit na elektrodzie ujemnej uwalnia swój elektron i przemieszcza się wewnętrznie jako dodatnio naładowany jon z powrotem do elektrody dodatniej. Tam elektrony docierające przez obwód umożliwiają ponowne umieszczenie dodatnio naładowanych jonów litu w elektrodzie dodatniej.
Inteligentne systemy zarządzania akumulatorami (BMS), które są zainstalowane w odpowiednim urządzeniu lub nawet bezpośrednio w samym akumulatorze, zapewniają prawidłowe utrzymanie parametrów ładowania i rozładowywania.
Jak już wspomniano, ogniwa LFP nie wykorzystują drogich komponentów, takich jak nikiel, mangan i kobalt. Ma to przede wszystkim pozytywny wpływ na cenę. Jednak nie tylko. Ponieważ niektóre z tych surowców są wydobywane w bardzo wątpliwych warunkach ekologicznych i humanitarnych, rezygnacja z nich jest godna pochwały również ze względów etycznych. Ogniwa LFP nie osiągają jednak tak wysokiej gęstości energii jak baterie NMC/NCA. Poniżej przedstawiamy dokładny przegląd zalet i wad:
Zalety LFP:
· Brak niklu, manganu i kobaltu
· Niedroga produkcja
· Wysokie bezpieczeństwo termiczne
· Wysokie prądy ładowania i rozładowania
· Wysoka stabilność cyklu
· Długa żywotność
· Płaska krzywa rozładowania
· Szeroki zakres temperatur
· Łatwy recykling
Wady LFP:
· GNiska gęstość energii lub pojemność właściwa
· Wymagany inteligentny system BMS**
*Czasami zaleta może być również wadą technologii litowej. Z jednej strony, płaska krzywa rozładowania zapewnia długą moc wyjściową na stałym poziomie; z drugiej strony, aktualny stan naładowania (SoC = State of Charge) nie może być wykryty przez system zarządzania akumulatorem (BMS) za pomocą prostego pomiaru napięcia. W związku z tym, aby system BMS był wydajny, wymagany jest znacznie większy nakład pracy.
Do tej pory niska gęstość energii była kryterium wykluczającym tę technologię akumulatorów. Przynajmniej w zastosowaniach mobilnych. Jednak w przypadku urządzeń stacjonarnych, takich jak systemy magazynowania energii słonecznej (BESS), poleganie na akumulatorach LFP ma sens. Niska gęstość energii i wynikająca z niej zmniejszona pojemność magazynowania mogą być łatwo skompensowane przez dodatkowe akumulatory. Wymagania dotyczące wagi i przestrzeni zwykle odgrywają podrzędną rolę w tych zastosowaniach.
Do tej pory akumulatory i baterie LFP były stosowane głównie tam, gdzie bezpieczeństwo i trwałość miały kluczowe znaczenie. Zwiększona przestrzeń wymagana dla dodatkowych ogniw w celu zwiększenia pojemności nie powinna być przeszkodą. Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe były zatem wykorzystywane do stacjonarnego magazynowania energii, w przemyśle, budownictwie, żegludze i w wielu różnych specjalistycznych pojazdach. Ze względu na swoją konstrukcję, baterie LFP są również często używane do zastępowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych lub akumulatorów ołowiowo-żelowych.
Rozwój technologii akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych stale zwiększa ich pojemność użytkową.
Wysoki poziom bezpieczeństwa pod względem niekontrolowanego rozładowania termicznego (samozapłonu), ogromna stabilność cyklu i wysokie prądy ładowania sprawiają, że ta technologia akumulatorów staje się coraz bardziej interesująca dla producentów samochodów elektrycznych.
Poza akumulatorami NMC i NCA, producent samochodów Tesla wykorzystuje obecnie ulepszone akumulatory LFP w Modelu 3 i Modelu Y (w wersji podstawowej).
Być może e-mobilność i wykorzystanie technologii LFP w samochodach elektrycznych będzie wielkim przełomem.
