Lithium-železo-fosfátový akumulátor

Specifikace baterie
Energie/hmotnost90-110 Wh/kg
Energie/velikost220 Wh/L
Výkon/hmotnost>3000 W/kg
Energie/spotřebitelská cena$1.50 US$/Wh
Životnost>10 roků
Životnost v cyklech2000 cyklů
Nominální napětí článku3.2 V

Lithium-železo-fosfátový (LiFePO4) akumulátor (také označovaný „LFP“) je druh akumulátoru s pevným elektrolytem, konkrétně lithium-iontového, který používá jako katodového materiálu LiFePO4.

Historie

LiFePO4 objevil John Goodenough z výzkumné skupiny na Texaské univerzitě v roce 1996 jako vhodný katodový materiál pro dobíjecí lithiové baterie. Brzy vzbudil zájem trhu vzhledem k nízké výrobní ceně, netoxicitě, dostupnosti železa, vynikající tepelné stabilitě, bezpečnostním vlastnostem, dobrému elektrochemickému výkonu a vysoké specifické kapacitě (170 mAh/g).[1][2]

Hlavní bariéra pro širší komerční využití byla nízká vnitřní vodivost. Tento problém byl vyřešen mimo jiné (snížením velikosti částic) potažením LiFePO4 částic vodivými materiály jako např. uhlíkem a částečně využitím takzvaných dopovaných polovodičů (extrémně čistých).[1] Konkrétně se používají postupy dopování a nauhličování vyvinuté panem Yet-Ming Chiang a jeho spolupracovníky na MIT za použití kationtů materiálů jako hliníku, niobu a zirkonia. Později se ukázalo, že většiny zlepšení vodivosti se dosáhlo přítomností nanoskopických jader odvozených z organického uhlíku.[3] Uvedené materiály jsou vyráběny v podniku A123Systems a jsou dále zpracovávány společnostmi jako Black and Decker, DeWalt, General Motors, Chevrolet Volt, Daimler AG, Cessna a BAE Systems.

Výhody a nevýhody

V LiFePO4 bateriích se využívá chemických reakcí s Lithiem a sdílí mnoho vlastností s rozšířenými lithium iontovými bateriemi (akumulátory).

Výhody

Mezi klíčové výhody LiFePO4 je bezpečnost (odolnost proti tepelným únikům) a schopnost dodávat vysoký proud při špičkových odběrech. Tvrdí se, že nižší náklady jsou hlavním rozdílem, ale v současné době (duben 2009) lze na trhu najít převážně baterie vyráběné v Číně, což se promítá do ceny náklady na dopravu a vysokou poptávkou.

Nevýhody

  1. Uváděná energetická kapacita nové LFP baterie je o něco nižší než u nových LiCoO2 baterií. Výrobci baterií na celém světě v současné době pracují na nalezení způsobů, jak maximalizovat výkon a energetickou kapacitu, snížit velikost a hmotnost.[4]
  2. U zcela nových LFP bylo zjištěno, že předčasně selžou, pokud jsou "hluboko cyklovány" (vybity pod úroveň 33%). Pauza po 20 nabíjecích cyklech je v současné době doporučována některými distributory. (březen 2009)
  3. Rychlé nabíjení zkrátí životnost lithium-iontové baterie (včetně LFP) v porovnání s tradičním neustálým dobíjením (trickle charging). (březen 2009)
  4. Rezervy lithia jsou odhadovány na 30000 tun v roce 2015 [5] .

Zatímco články využívající LiFePO4 mají nižší napětí a energetickou hustotu v porovnání s obvyklými LiCoO2 Lithium-iontovými akumulátory, tato nevýhoda je časem vykompenzována pomalejším snižováním maximální kapacity.[6][7]

Specifikace

  • Napětí článku = minimální vybíjecí napětí = 2,8 V. Pracovní napětí = 3,0 V až 3,3 V. Maximální nabíjecí napětí = 3,6 V.
  • Volumetrická (objemová) energetická hustota = 220 Wh/L
  • Gravimetrická energetická hustota = 90+ Wh/kg [1]
  • Cyklů do 80% stavu kapacity při hlubokém vybíjení (na úroveň vybití 100%)= 2000 - 7000 (Počet cyklů do degradace baterie na 80 % její původní udávané kapacity) [2]
  • Složení katody (hmotnost)
    • 90 % katoda-LiFePO4
    • 5 % Uhlík EBN-10-10
    • 5 % PVDF
  • Konfigurace článku
    • 15 Uhlíkem potažených hliníkových kolektorů
    • 1.54 cm2 katoda
    • elektrolyt: EC-DMC 1-1 LiClO4 1M
    • anoda: lithium
  • Experimentální podmínky:
    • Pokojová teplota
    • Limitní napětí: 2,5 – 4,2 V
    • Nabíjení: C/4 až k 4,2 V, potom potenciostaticky na 4,2 V až do I < C/24

Bezpečnost

LiFePO4 je podstatně bezpečnější katodový materiál než LiCoO2. Fe-P-O vazba je silnější než Co-O. V případě zkratů, přehřátí a jiných nesprávných způsobech využití, je výrazně těžší odstranit kyslíkové atomy. Tato stabilizace redoxní reakce také napomáhá rychlému přemísťování iontů. K havárii dochází teprve při extrémním přehřátí (800 °C a výše). [3]

Při přemísťování lithia z katody u LiCoO2 článku, CoO2 prochází nelineární expanzi, která ovlivňuje strukturální integritu článku. Plně lithiovaný a nelithiovaný stav LiFePO4 jsou strukturálně podobné, z čehož vyplývá lepší strukturální stabilita LiFePO4 než mají LiCoO2.

U plně nabitého akumulátoru s LiFePO4 nezůstává žádné lithium na katodě — u akumulátoru s LiCoO2 zůstává okolo 50% v katodě. LiFePO4 je vysoce houževnatý při ztrátě kyslíku, která ústí v exotermickou reakci u jiných typů lithiových akumulátorů.[2]

Využití

Společnost Lithium Technology oznámila v květnu 2007, že vyvinula novou lithium-iontovou baterii vhodnou k pohonu hybridních automobilů. Ve své zprávě tvrdili, že se "... jedná o největší články svého druhu na světě..."[8]. Ačkoliv LFP články mohou být (kapacitně) dostačující pro tyto účely, zůstávají jistá omezení, která hovoří proti takovému využití. Vizte sekci výhody a nevýhody výše.

ThunderSky LiFePO4 akumulátory se stávají populární mezi modeláři, kteří jich používají k elektrickému pohonu, z důvodu relativní dostupnosti a rozšiřující se nabídce.

Tento akumulátor je použit v elektrickém automobilu vyráběném firmou Aptera.[9]

Tento typ akumulátoru je využit v projektu Jeden laptop na dítě (zkratka anglického One Laptop per Child je OLPC)[10].

Akumulátory v projektu OLPC jsou vyráběny společností BYD v Shenzhenu, Číně. BYD, vyrábějící také automobily, plánuje využití lithium-železo-fosfátových baterií k pohonu svých PHEV, F3DM a F6DM (hybridní automobily, dvojí pohon), které budou prvními komerčními elektrickými automobily s dvojím pohonem na světě. BYD plánuje zahájit sériovou výrobu v roce 2009.

Odkazy

Reference

  1. ↑ a b Bigger, Cheaper, Safer Batteries: New material charges up lithium-ion battery work. sciencenews.org. Dostupné v archivu pořízeném dne 2008-04-13.  Archivováno 13. 4. 2008 na Wayback Machine.
  2. ↑ a b Building safer Li ion batteries. houseofbatteries.com. Dostupné v archivu pořízeném dne 2006-10-29.  Archivováno 29. 10. 2006 na Wayback Machine.
  3. ↑ On the electronic conductivity of phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nat. Mater., 2, 702 ~2003. PMID 14593388. 
  4. ↑ Guo, Y.; Hu, J.; Wan, L. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv Mater 2008, 20, 2878-2887
  5. ↑ Pag4 .- The trouble with lithium
  6. ↑ A123Systems Archivováno 1. 3. 2012 na Wayback Machine. "...Current test projecting excellent calendar life: 17% impedance growth and 23% capacity loss in 15 [fifteen!] years at 100% SOC, 60 deg. C..."
  7. ↑ How to prolong lithium-based batteries Archivováno 9. 6. 2007 na Wayback Machine. "...The speed by which lithium-ion ages is governed by temperature and state-of-charge. Figure 1 illustrates the capacity loss as a function of these two parameters...
    25 °C...[100% State of charge]...80% after 1 year
    40 °C...[100% State of charge]...65% after 1 year ..."
  8. ↑ Next Generation Battery Technology Makes Hybrid and Electric Vehicles a Reality. lithiumtech.com. Dostupné v archivu pořízeném dne 2007-05-16.  Archivováno 16. 5. 2007 na Wayback Machine. [odkaz nefunkční]
  9. ↑ http://www.engadget.com/2009/02/03/aptera-unveils-full-specs-for-its-flagship-2e/#comments
  10. ↑ Laptop With a Mission Widens Its Audience [online]. New York Times [cit. 2007-10-04]. Dostupné online.  LiFePO4 used in OLPC nytimes.com

Související články

Externí odkazy