Lifepo4 vs Lithium-Ion: The Battle of the Batteries

1.763 Udgivet af BSLBATT 19. april 2024

Lithium-ion (Li-ion) og lithiumjernfosfat ( LiFePO4 ) er to af de mest populære typer genopladelige lithium-ion-batterier, der bruges i forbrugerelektronik og elektriske køretøjer i dag.

Begge tilbyder høj energitæthed, lav selvafladning, høj cellespænding og lav vedligeholdelse sammenlignet med andre genopladelige batterikemier.

Der er dog nogle vigtige forskelle mellem de to, der gør hver især bedre egnet til visse applikationer.

lithium-ion

Li-ion batterier bruger lithium cobalt oxid ( LiCoO2 ) eller andre lithiummetaloxider som den positive elektrode og grafitcarbon som den negative elektrode.

Under afladning bevæger lithiumioner sig fra den positive elektrode til den negative elektrode gennem elektrolytten og separatormembranen.

Opladning vender strømmen af ioner. Li-ion-batterier har høj energitæthed, men kan være ustabile på grund af den meget reaktive koboltkatode.

Lifepo4

LiFePO4-batterier erstatter koboltoxidkatoden med lithiumjernfosfat ( LiFePO4 ), som er mere strukturelt og termisk stabil.

Dette gør LiFePO4 i sagens natur sikrere end Li-ion, til en pris af lidt lavere energitæthed.

LiFePO4 tilbyder også længere cykluslevetid og bedre ydeevne ved højere temperaturer.

Begge typer lithium-ion-batterier er almindelige i dag til forbrugerelektronik, elværktøj, elektriske køretøjer og energilagringssystemer. Vi vil undersøge de vigtigste forskelle mellem dem mere detaljeret.

Kemi

LiFePO4-batterier har en katode lavet af lithiumjernfosfat ( LiFePO4 ), hvorimod traditionelle lithium-ion-batterier bruger lithium cobaltoxid (LiCoO2), lithium nikkel mangan cobalt oxide (NMC) eller andre metaloxidkatoder.

Den vigtigste forskel ligger i katodematerialet. LiFePO4 giver en mere stabil, sikrere katodekemi sammenlignet med metaloxidkatoder, der findes i almindelige lithium-ion-batterier.

Jernfosfatstrukturen modstår ilttab, selv når den er overopladet eller kortsluttet. Dette gør LiFePO4 i sagens natur ikke-brændbart og eliminerer risikoen for termisk løb.

I modsætning hertil kan lithium-ion-batterier med kobolt-, nikkel- og mangankatoder frigive ilt, hvis de overlades eller beskadiges, hvilket fører til brande og eksplosioner.

Den lagdelte oxidstruktur mangler stabiliteten af olivinphosphatstrukturen i LiFePO4. Denne grundlæggende forskel i katodekemi er det, der giver LiFePO4-batterier deres fremragende sikkerhedsrygte.

Spænding

LiFePO4-batterier har en lavere nominel spænding sammenlignet med lithium-ion-batterier. LiFePO4 fungerer ved omkring 3,2V, hvorimod lithium-ion-batterier typisk kører mellem 3,6-3,7V.

Denne lavere spænding i LiFePO4 kommer fra katodematerialets kemi. LiFePO4 katode har en flad spændingsprofil og kan kun frigive én elektron pr. formelenhed under op- og afladning.

I modsætning hertil kan lithium-ion katoder som lithium cobalt oxid (LiCoO2) frigive de fleste af deres lithium ioner, hvilket muliggør højere spændinger.

Den lavere spænding af LiFePO4 betyder, at flere celler skal forbindes i serie for at opnå den ønskede systemspænding.

Men den lavere spænding giver også nogle fordele med hensyn til sikkerhed og stabilitet sammenlignet med højere spænding lithium-ion kemi.

Samlet set er den lidt lavere spænding af LiFePO4 en afvejning, der giver mulighed for fremragende cykelstabilitet og sikkerhed.

Opladning/afladning

LiFePO4-batterier har en meget flad afladningskurve sammenlignet med lithium-ion-batterier.

Dette betyder, at spændingen forbliver mere konsistent, efterhånden som batteriet aflades. Lithium-ion-batterier har til gengæld en skrånende afladningskurve, så spændingen falder gradvist, efterhånden som batteriet aflades.

Den flade afladningskurve af LiFePO4 gør dem ideelle til applikationer, der kræver stabil spændingsoutput.

Ting som motorcontrollere og invertere drager fordel af den ensartede spændingsforsyning under afladning. Med lithium-ion kan du opleve faldende ydeevne, når spændingen falder.

LiFePO4 oplader også anderledes end lithium-ion. Spændingen stiger hurtigt til omkring 3,65V og forbliver der, mens batteriet oplades fuldt ud.

Lithium-ion-spændingen stiger støt gennem hele opladningsprocessen. Dette betyder, at LiFePO4 kan udnytte hurtig opladning bedre end lithium-ion i de fleste tilfælde.

Så sammenfattende giver LiFePO4 flad spændingsudladning, mens lithium-ion gradvist hælder. Og LiFePO4 oplades hurtigt til topspænding, mens lithium-ion klatrer langsomt.

Disse afladnings-/opladningsegenskaber gør LiFePO4 gunstig til applikationer, der kræver stabil spænding og hurtig opladningsevne.

Cyklus liv

LiFePO4-batterier har en væsentlig længere levetid sammenlignet med lithium-ion-batterier.

Mens lithium-ion kan holde 500-1000 cyklusser, før det nedbrydes til 80% kapacitet, kan LiFePO4 typisk opnå 2000-5000 cyklusser eller mere. Nogle LiFePO4-celler er blevet testet til over 10.000 cyklusser med minimalt kapacitetstab.

Hovedårsagen til denne forlængede cykluslevetid er olivinkrystalstrukturen af katodematerialet i LiFePO4.

Denne struktur gør det muligt for lithiumioner at indsætte og ekstrahere med mindre stress og belastning sammenlignet med lagdelte oxidkatoder som lithiumcoboltoxid.

Den stive struktur af LiFePO4 udvider eller trækker sig ikke meget sammen under cykling, hvilket fører til større stabilitet over tusindvis af cyklusser.

I modsætning hertil ændrer den lagdelte struktur af konventionelle lithium-ion-katoder form mere dramatisk under cykling, da lithiumioner tilsættes og fjernes.

Dette lægger mere fysisk belastning på elektroderne og elektrolytten, hvilket resulterer i hurtigere nedbrydning af batteriet over tid.

Så til applikationer, der kræver tusindvis af cyklusser over mange år, som lagring af vedvarende energi eller elektriske køretøjer, er LiFePO4 den klare vinder over normale lithium-ion-batterier, når det kommer til levetid.

Evnen til at modstå 3-10 gange flere cyklusser før fejl gør LiFePO4 til et attraktivt valg, når langtidsholdbarhed og levetid er kritiske faktorer.

Sikkerhed

LiFePO4-batterier er i sagens natur sikrere end lithium-ion-batterier. Dette skyldes katodematerialets kemiske struktur og egenskaber.

Lithium-ion-batterier bruger typisk katodematerialer som lithium-koboltoxid (LiCoO2) eller lithium-nikkel-mangan-koboltoxid (NMC).

Disse lagdelte oxidkatodematerialer er ustabile, især når de er overopladede eller kortsluttede.

Dette kan føre til iltfrigivelse fra katoden og udløse termisk løb, hvilket resulterer i brande eller eksplosioner.

I modsætning hertil har LiFePO4 en olivinkrystalstruktur, der er meget stabil, selv under misbrugsforhold.

De stærke kovalente bindinger i fosfatstrukturen gør det ekstremt svært for ilt at blive frigivet.

Som et resultat går LiFePO4 ikke let i termisk løb og er langt mindre tilbøjelig til at antænde eller eksplodere.

LiFePO4 kan modstå meget højere temperaturer (op til 700°F), før den nedbrydes sammenlignet med lithium-ion's relativt lave termiske runaway-temperatur.

Kortslutninger, overopladning og anden elektrisk eller mekanisk misbrug er langt mindre tilbøjelig til at resultere i katastrofale fejl med LiFePO4.

Denne iboende sikkerhed og stabilitet er en væsentlig årsag til, at LiFePO4 foretrækkes til elektriske køretøjer og andre applikationer, hvor sikkerheden er kritisk.

Koste

LiFePO4-batterier er generelt billigere pr. kWh end lithium-ion-batterier.

Dette skyldes, at LiFePO4 bruger jernfosfat som katodemateriale, hvilket er rigeligt og billigt sammenlignet med kobolt, nikkel og mangan, der bruges i lithium-ion katoder.

Derudover har LiFePO4 en fladere afladningskurve end lithium-ion, hvilket gør det muligt at bruge mindre batteristyringssystemelektronik.

Det enklere batteristyringssystem reducerer yderligere omkostningerne til LiFePO4.

Med hensyn til forudgående batteripakkeomkostninger varierer LiFePO4-batterier fra $300-500 per kWh, mens lithium-ion-pakker er $150-300 per kWh.

Den længere cykluslevetid for LiFePO4 sammenlignet med lithium-ion betyder imidlertid, at omkostningerne pr. cyklus eller omkostningerne over batterilevetiden er lavere for LiFePO4.

Samlet set resulterer de billigere råvareomkostninger og enklere elektronik i, at LiFePO4 har en lavere levetidsomkostning pr. kWh på trods af de højere forhåndsomkostninger.

Dette gør det til et attraktivt valg frem for lithium-ion til mange applikationer, især hvor lang levetid og sikkerhed er prioriteret.

Ansøgninger

LiFePO4- og lithium-ion-batterier bruges begge i en lang række applikationer, men de har hver især fordele, der gør dem bedre egnede til visse anvendelsestilfælde.

LiFePO4-batterier plejer at være foretrukne til højeffektapplikationer som elværktøj og elektriske køretøjer.

Deres sikre kemi og evne til at levere høje strømme gør dem til en god pasform til ting, der kræver meget øjeblikkelig strøm. LiFePO4 giver et slag, når du har brug for strømmen med det samme.

Lithium-ion-batterier er på den anden side ofte bedre til mindre elektronik som bærbare computere, mobiltelefoner og tablets.

Deres højere energitæthed betyder, at de kan lagre mere strøm i en mindre, lettere pakke.

Dette gør lithium-ion fantastisk, når du skal optimere til plads og vægt, som i en smartphone.

Afvejningen er, at de ikke håndterer højt strømforbrug så godt.

LiFePO4 er ideel til højeffektværktøjer, elektriske køretøjer og andre applikationer, der kræver pulserende meget strøm. Deres sikre kemi gør dem også velegnede til medicinsk udstyr.

Lithium-ion er bedre til forbrugerelektronik og andre applikationer med fokus på let vægt og lille størrelse. Deres højere energitæthed er perfekt til at maksimere driftstiden.

Hver teknologi har styrker i forskellige applikationer baseret på de specifikke behov og afvejninger. LiFePO4 for rå kraft, lithium-ion, når plads og vægt er kritisk.

Miljømæssige

LiFePO4-batterier har en klar miljømæssig fordel i forhold til traditionelle lithium-ion-batterier.

Katodematerialet i LiFePO4-batterier bruger jernfosfat, som ikke er giftigt og rigeligt i naturen.

I modsætning hertil er kobolt, nikkel og mangan, der anvendes i lithium-ion-katoder, sjældnere grundstoffer, der kan være farlige i høje koncentrationer.

Under batteriproduktion udsender syntesen af LiFePO4 minimale drivhusgasser sammenlignet med lithium-ion.

Bortskaffelse er også mindre problematisk, da jernfosfatet ikke udvasker giftige kemikalier til miljøet.

Samlet set har materialerne og fremstillingen af LiFePO4-batterier en meget lavere miljøpåvirkning.

Efterhånden som elektriske køretøjer og energilagringssystemer vokser i popularitet, vil valget af batterikemi have store økologiske effekter.

Udbredt anvendelse af LiFePO4 kan reducere disse teknologiers miljømæssige fodaftryk betydeligt.

Med deres forbedrede bæredygtighed og sikkerhed vil LiFePO4-batterier sandsynligvis spille en førende rolle i den grønne energiomstilling.

Konklusion

Når man vurderer LiFePO4 vs lithium-ion-batterier, er der nogle vigtige forskelle at overveje.

LiFePO4-batterier har en lavere energitæthed, men bedre termisk og kemisk stabilitet.

De har også en længere cykluslevetid, langsommere kapacitetsfading og er i sagens natur sikrere.

Den største ulempe er deres lavere spænding, som kræver flere celler i serie for samme spænding som lithium-ion.

Lithium-ion-batterier har en højere spænding og energitæthed.

Dette tillader mindre, lettere batterier med samme kapacitet.

De er dog mindre termisk stabile, tilbøjelige til ældningseffekter og kan udgøre en brandrisiko, hvis de ikke håndteres korrekt.

Til applikationer, hvor sikkerhed og lang levetid er kritisk som elektriske køretøjer og energilagring, er LiFePO4 normalt det bedre valg på trods af dens større størrelse og vægt.

Til forbrugerelektronik, hvor lille størrelse er vigtigst, er lithium-ion at foretrække.

Selvom der er kompromiser at overveje for applikationer imellem.

Samlet set er LiFePO4 den sikrere, længerevarende batterikemi, men giver afkald på en vis ydeevne sammenlignet med lithium-ion.

Så vælg lithium-ion, når du optimerer for energitæthed og LiFePO4, når du optimerer for sikkerhed og cykluslevetid. Overvej prioriteterne for din specifikke ansøgning.