Более пристальный взгляд на литий-железо-фосфатные батареи, новый выбор батареи Tesla

Aug 24, 2023

Хотя литий-железо-фосфатные батареи (LFP) ранее отодвигались на второй план в пользу литий-ионных батарей, ситуация может измениться среди производителей электромобилей. В отчете Tesla за третий квартал 2021 года было объявлено, что компания планирует перейти на батареи LFP во всех своих автомобилях стандартной линейки.

Эта новость отражает растущую тенденцию к тому, что батареи LFP становятся все более популярными в электромобилях (EV) следующего поколения.

В батареях LFP в качестве катодного материала используется литий-железо-фосфат (LiFePO4), а в качестве анода — графитовый углеродный электрод с металлической подложкой. В отличие от многих катодных материалов, LFP представляет собой полианионное соединение, состоящее из более чем одного отрицательно заряженного элемента. Его атомы расположены в кристаллической структуре, образующей трехмерную сетку ионов лития по сравнению с двумерными пластинами из никель-марганца-кобальта.

Аккумулятор LFP работает аналогично другим литий-ионным (Li-ion) аккумуляторам, перемещаясь между положительным и отрицательным электродами для зарядки и разрядки. Однако фосфат является нетоксичным материалом по сравнению с оксидом кобальта или оксидом марганца. Более того, батареи LFP способны обеспечивать постоянное напряжение при более высоких циклах зарядки в диапазоне 2000–3000.

Батареи LFP состоят не только из соединенных ячеек; они включают в себя систему, которая гарантирует, что аккумулятор останется в безопасных пределах. Система управления аккумулятором (BMS) защищает, контролирует и контролирует аккумулятор во всех условиях эксплуатации, чтобы обеспечить безопасность и продлить срок службы аккумулятора.

Хотя литий-железо-фосфатные элементы более устойчивы, чем альтернативы, они все равно могут подвергаться воздействию перенапряжения во время зарядки, что ухудшает производительность. Материал катода также может окисляться и становиться менее стабильным. BMS ограничивает каждую ячейку и обеспечивает поддержание максимального напряжения самой батареи.

Пониженное напряжение является проблемой, поскольку материалы электродов разрушаются. BMS способна отключить батарею от цепи, если уровень заряда какой-либо ячейки окажется слишком низким. Он также будет действовать как ограничитель обратного хода при перегрузке по току и отключит работу в случае короткого замыкания.

Плотность энергии аккумуляторов LFP ниже, чем у альтернативы литий-кобальтового оксида (LiCoO2), и имеет более низкое рабочее напряжение. Несмотря на эти проблемы, невозможно отрицать преимущества аккумуляторов LFP в электромобилях.

LFP известен своей низкой стоимостью: по некоторым оценкам, он на 70 процентов ниже за килограмм, чем NMC с высоким содержанием никеля. Преимущество в стоимости обусловлено его химическим составом. Железо и фосфор добываются в огромных масштабах по всему миру и широко используются во многих отраслях промышленности.

В 2020 году самые низкие зарегистрированные цены на аккумуляторы LFP впервые достигли уровня ниже 100 долларов США за кВтч. Батареи LFP также оказывают меньшее воздействие на окружающую среду; они не содержат никель или кобальт, которые ограничены в поставках, дороги и оказывают большее воздействие на окружающую среду.

Аккумуляторы LFP имеют более длительный срок службы, чем другие литий-ионные аккумуляторы, поскольку элементы теряют емкость медленнее. Их более низкое рабочее напряжение также означает, что клетки менее склонны к реакциям, влияющим на емкость.

Благодаря постоянному разрядному напряжению и более низкому внутреннему сопротивлению автомобили с двигателем LFP могут подавать энергию быстрее и достигать более высокой эффективности заряда/разряда.

LFP термически и химически стабилен, что делает его менее подверженным взрывам или пожарам из-за неправильного использования или повреждения конструкции. В литий-кобальт-оксидных батареях термический разгон может возникнуть из-за отсутствия кобальта с его отрицательным температурным коэффициентом.

Говорят, что LFP выделяет шестую часть тепла, чем богатый никелем NMC. Связь Co-O также прочнее в батареях LFP, поэтому при коротком замыкании или перегреве атомы кислорода высвобождаются медленнее. Более того, в полностью заряженных элементах не остается лития, что делает их очень устойчивыми при потере кислорода по сравнению с экзотермическими реакциями, типичными для других литиевых элементов.

Хотя батареи LFP дешевле и стабильнее альтернатив, ключевым фактором, препятствующим их широкому внедрению, является плотность энергии. Плотность энергии аккумуляторов LFP значительно ниже, чем у альтернатив, и составляет от 15 до 25 процентов. Однако ситуация начинает меняться с появлением более толстых электродов, таких как те, которые используются в производимой в Шанхае модели 3, обеспечивающей плотность энергии 359 Втч/литр.