Lifepo4 vs ioni di litio: la battaglia delle batterie

1.763 Pubblicato da BSLBATT 19 aprile 2024

Ioni di litio (Li-ion) e litio ferro fosfato ( LiFePO4 ) sono due dei tipi più popolari di batterie ricaricabili agli ioni di litio utilizzate oggi nell'elettronica di consumo e nei veicoli elettrici.

Entrambi offrono un'elevata densità di energia, una bassa autoscarica, un'elevata tensione delle celle e una manutenzione ridotta rispetto ad altre batterie ricaricabili.

Tuttavia, ci sono alcune differenze chiave tra i due che li rendono più adatti a determinate applicazioni.

agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio utilizzano ossido di litio cobalto ( LiCoO2 ) o altri ossidi di litio metallico come elettrodo positivo e carbonio di grafite come elettrodo negativo.

Durante la scarica, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita e il diaframma separatore.

La carica inverte il flusso degli ioni. Le batterie agli ioni di litio hanno un'elevata densità di energia ma possono essere instabili a causa del catodo di cobalto altamente reattivo.

Lifepo4

Le batterie LiFePO4 sostituiscono il catodo all'ossido di cobalto con il litio ferro fosfato ( LiFePO4 ), che è strutturalmente e termicamente più stabile.

Ciò rende il LiFePO4 intrinsecamente più sicuro degli ioni di litio, a un costo di densità energetica leggermente inferiore.

LiFePO4 offre anche una durata del ciclo più lunga e prestazioni migliori a temperature più elevate.

Entrambi i tipi di batterie agli ioni di litio sono oggi comuni per l’elettronica di consumo, gli utensili elettrici, i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo dell’energia. Esploreremo le principali differenze tra loro in modo più dettagliato.

Chimica

Le batterie LiFePO4 hanno un catodo costituito da litio ferro fosfato ( LiFePO4 ), mentre le tradizionali batterie agli ioni di litio utilizzano ossido di litio cobalto (LiCoO2), ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC) o altri catodi di ossido metallico.

La differenza fondamentale sta nel materiale del catodo. LiFePO4 fornisce una chimica del catodo più stabile e più sicura rispetto ai catodi di ossido di metallo presenti nelle normali batterie agli ioni di litio.

La struttura in fosfato di ferro resiste alla perdita di ossigeno, anche in caso di sovraccarico o cortocircuito. Ciò rende LiFePO4 intrinsecamente non combustibile ed elimina il rischio di fuga termica.

Al contrario, le batterie agli ioni di litio con catodi di cobalto, nichel e manganese possono rilasciare ossigeno se sovraccaricate o danneggiate, provocando incendi ed esplosioni.

La struttura dell'ossido stratificato non ha la stabilità della struttura del fosfato di olivina in LiFePO4. Questa differenza fondamentale nella chimica del catodo è ciò che conferisce alle batterie LiFePO4 la loro eccellente reputazione in termini di sicurezza.

Voltaggio

Le batterie LiFePO4 hanno una tensione nominale inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio. LiFePO4 funziona a circa 3,2 V, mentre le batterie agli ioni di litio funzionano generalmente tra 3,6 e 3,7 V.

Questa tensione inferiore in LiFePO4 deriva dalla chimica del materiale del catodo. Il catodo LiFePO4 ha un profilo di tensione piatto e può rilasciare solo un elettrone per unità di formula durante la carica e la scarica.

Al contrario, i catodi agli ioni di litio come l’ossido di litio cobalto (LiCoO2) possono rilasciare la maggior parte dei loro ioni di litio, consentendo tensioni più elevate.

La tensione inferiore di LiFePO4 significa che è necessario collegare più celle in serie per ottenere la tensione di sistema desiderata.

Tuttavia, la tensione più bassa offre anche alcuni vantaggi in termini di sicurezza e stabilità rispetto alle sostanze chimiche agli ioni di litio a tensione più elevata.

Nel complesso, la tensione leggermente inferiore di LiFePO4 è un compromesso che consente un'eccellente stabilità e sicurezza del ciclo.

Carica/Scarica

Le batterie LiFePO4 hanno una curva di scarica molto piatta rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Ciò significa che la tensione in uscita rimane più costante man mano che la batteria si scarica. Le batterie agli ioni di litio, invece, hanno una curva di scarica inclinata, quindi la tensione diminuisce gradualmente man mano che la batteria si scarica.

La curva di scarica piatta di LiFePO4 li rende ideali per applicazioni che richiedono un'uscita di tensione stabile.

Cose come i controllori dei motori e gli inverter traggono vantaggio dall'alimentazione di tensione costante durante la scarica. Con gli ioni di litio potresti riscontrare un calo delle prestazioni al diminuire della tensione.

Anche il LiFePO4 si carica in modo diverso rispetto agli ioni di litio. La tensione sale rapidamente fino a circa 3,65 V e poi rimane tale mentre la batteria si carica completamente.

La tensione degli ioni di litio aumenta costantemente durante il processo di ricarica. Ciò significa che LiFePO4 può utilizzare la ricarica rapida meglio degli ioni di litio nella maggior parte dei casi.

Quindi, in sintesi, LiFePO4 fornisce una scarica di tensione piatta mentre gli ioni di litio sono gradualmente in pendenza. E LiFePO4 si carica rapidamente fino alla tensione di picco mentre gli ioni di litio salgono lentamente.

Queste caratteristiche di scarica/carica rendono LiFePO4 favorevole per le applicazioni che richiedono una tensione stabile e una capacità di ricarica rapida.

Ciclo di vita

Le batterie LiFePO4 hanno un ciclo di vita significativamente più lungo rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Mentre gli ioni di litio possono durare 500-1000 cicli prima di degradarsi all’80% della capacità, LiFePO4 può in genere raggiungere 2000-5000 cicli o più. Alcune celle LiFePO4 sono state testate per oltre 10.000 cicli con una perdita di capacità minima.

La ragione principale di questo ciclo di vita prolungato è la struttura cristallina di olivina del materiale catodico in LiFePO4.

Questa struttura consente agli ioni di litio di inserirsi ed estrarsi con meno stress e sollecitazioni rispetto ai catodi di ossido stratificato come l'ossido di litio-cobalto.

La struttura rigida di LiFePO4 non si espande o si contrae molto durante il ciclo, garantendo una maggiore stabilità per migliaia di cicli.

Al contrario, la struttura a strati dei catodi convenzionali agli ioni di litio cambia forma in modo più drammatico durante il ciclo quando gli ioni di litio vengono aggiunti e rimossi.

Ciò sottopone a maggiore sforzo fisico gli elettrodi e l'elettrolito, con conseguente degrado più rapido della batteria nel tempo.

Pertanto, per le applicazioni che richiedono migliaia di cicli nel corso di molti anni, come lo stoccaggio di energia rinnovabile o i veicoli elettrici, LiFePO4 è il chiaro vincitore rispetto alle normali batterie agli ioni di litio in termini di durata del ciclo.

La capacità di resistere a un numero di cicli 3-10 volte maggiore prima del guasto rende LiFePO4 una scelta interessante ogni volta che la durabilità e la durata a lungo termine sono fattori critici.

Sicurezza

Le batterie LiFePO4 sono intrinsecamente più sicure delle batterie agli ioni di litio. Ciò è dovuto alla struttura chimica e alle proprietà del materiale del catodo.

Le batterie agli ioni di litio utilizzano tipicamente materiali catodici come ossido di litio cobalto (LiCoO2) o ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC).

Questi materiali catodici a ossido stratificato sono instabili, soprattutto se sovraccaricati o cortocircuitati.

Ciò può portare al rilascio di ossigeno dal catodo e innescare una fuga termica, con conseguenti incendi o esplosioni.

Al contrario, LiFePO4 ha una struttura cristallina di olivina molto stabile, anche in condizioni di abuso.

I forti legami covalenti nella struttura del fosfato rendono estremamente difficile il rilascio dell'ossigeno.

Di conseguenza, LiFePO4 non va facilmente in fuga termica ed è molto meno incline a prendere fuoco o esplodere.

LiFePO4 può resistere a temperature molto più elevate (fino a 700 ° F) prima di rompersi rispetto alla temperatura di fuga termica relativamente bassa degli ioni di litio.

Cortocircuiti, sovraccarichi e altri abusi elettrici o meccanici hanno molte meno probabilità di provocare guasti catastrofici con LiFePO4.

Questa sicurezza e stabilità intrinseche sono una delle ragioni principali per cui LiFePO4 è preferito per i veicoli elettrici e altre applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale.

Costo

Le batterie LiFePO4 sono generalmente più economiche per kWh rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Questo perché LiFePO4 utilizza il fosfato di ferro come materiale catodico, che è abbondante ed economico rispetto al cobalto, al nichel e al manganese utilizzati nei catodi agli ioni di litio.

Inoltre, LiFePO4 ha una curva di scarica più piatta rispetto agli ioni di litio, consentendogli di utilizzare meno componenti elettronici del sistema di gestione della batteria.

Il sistema di gestione della batteria più semplice riduce ulteriormente i costi per LiFePO4.

In termini di costi iniziali del pacco batterie, le batterie LiFePO4 vanno da 300-500 dollari per kWh, mentre i pacchi agli ioni di litio costano 150-300 dollari per kWh.

Tuttavia, la durata del ciclo più lunga di LiFePO4 rispetto agli ioni di litio significa che il costo per ciclo o costo per tutta la durata della batteria è inferiore per LiFePO4.

Nel complesso, i costi più economici delle materie prime e l’elettronica più semplice fanno sì che LiFePO4 abbia un costo di vita utile per kWh inferiore nonostante il costo iniziale più elevato.

Ciò lo rende una scelta interessante rispetto agli ioni di litio per molte applicazioni, soprattutto dove la durata del ciclo lungo e la sicurezza sono priorità.

Applicazioni

Le batterie LiFePO4 e agli ioni di litio sono entrambe utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni, ma presentano ciascuna vantaggi che le rendono più adatte a determinati casi d'uso.

Le batterie LiFePO4 tendono ad essere preferite per applicazioni ad alta potenza come utensili elettrici e veicoli elettrici.

La loro chimica sicura e la capacità di fornire correnti elevate li rendono adatti per cose che necessitano di molta potenza istantanea. LiFePO4 è potente quando hai bisogno di energia immediatamente.

Le batterie agli ioni di litio, d'altra parte, sono spesso migliori per i dispositivi elettronici più piccoli come laptop, telefoni cellulari e tablet.

La loro maggiore densità di energia significa che possono immagazzinare più energia in un pacchetto più piccolo e leggero.

Ciò rende gli ioni di litio ideali quando è necessario ottimizzare spazio e peso, come in uno smartphone.

Il compromesso è che non gestiscono anche un elevato assorbimento di potenza.

LiFePO4 è ideale per utensili ad alta potenza, veicoli elettrici e altre applicazioni che richiedono molta corrente pulsante. La loro chimica sicura li rende adatti anche per i dispositivi medici.

Gli ioni di litio sono migliori per l'elettronica di consumo e altre applicazioni incentrate sulla leggerezza e sulle dimensioni ridotte. La loro maggiore densità di energia è perfetta per massimizzare il tempo di esecuzione.

Ciascuna tecnologia ha punti di forza in diverse applicazioni in base alle esigenze specifiche e ai compromessi. LiFePO4 per energia pura, ioni di litio quando lo spazio e il peso sono fondamentali.

Ambientale

Le batterie LiFePO4 presentano un chiaro vantaggio ambientale rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Il materiale catodico delle batterie LiFePO4 utilizza fosfato di ferro, che non è tossico ed è abbondante in natura.

Al contrario, il cobalto, il nichel e il manganese utilizzati nei catodi agli ioni di litio sono elementi più rari che possono essere pericolosi in alte concentrazioni.

Durante la produzione delle batterie, la sintesi di LiFePO4 emette gas serra minimi rispetto agli ioni di litio.

Anche lo smaltimento è meno problematico, poiché il fosfato di ferro non rilascia sostanze chimiche tossiche nell’ambiente.

Nel complesso, i materiali e la produzione delle batterie LiFePO4 hanno un impatto ambientale molto inferiore.

Con la crescente popolarità dei veicoli elettrici e dei sistemi di stoccaggio dell’energia, la scelta della chimica delle batterie avrà importanti effetti ecologici.

L’adozione diffusa di LiFePO4 potrebbe ridurre significativamente l’impatto ambientale di queste tecnologie.

Grazie alla loro maggiore sostenibilità e sicurezza, le batterie LiFePO4 svolgeranno probabilmente un ruolo di primo piano nella transizione verso l’energia verde.

Conclusione

Quando si valutano le batterie LiFePO4 rispetto alle batterie agli ioni di litio, ci sono alcune differenze fondamentali da considerare.

Le batterie LiFePO4 hanno una densità energetica inferiore ma una migliore stabilità termica e chimica.

Hanno anche un ciclo di vita più lungo, un deterioramento della capacità più lento e sono intrinsecamente più sicuri.

Lo svantaggio principale è la loro tensione più bassa, che richiede più celle in serie per la stessa tensione degli ioni di litio.

Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione e una densità di energia più elevate.

Ciò consente batterie più piccole e più leggere con la stessa capacità.

Tuttavia, sono meno stabili termicamente, soggetti a effetti di invecchiamento e possono rappresentare un rischio di incendio se non gestiti correttamente.

Per le applicazioni in cui la sicurezza e la lunga durata sono fondamentali, come i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia, LiFePO4 è solitamente la scelta migliore nonostante le dimensioni e il peso maggiori.

Per l'elettronica di consumo, dove le dimensioni ridotte sono fondamentali, è preferibile la tecnologia agli ioni di litio.

Tuttavia, per le applicazioni intermedie, ci sono dei compromessi da considerare.

Nel complesso, LiFePO4 è la chimica della batteria più sicura e più duratura, ma rinuncia ad alcune prestazioni rispetto agli ioni di litio.

Scegli quindi gli ioni di litio quando ottimizzi la densità energetica e LiFePO4 quando ottimizzi la sicurezza e la durata del ciclo. Considera le priorità per la tua applicazione specifica.