Lifepo4 kontra akumulator litowo-jonowy: bitwa na baterie

1763 Opublikowane przez BSLBATT 19 kwietnia 2024 r

Litowo-jonowy (Li-ion) i fosforan litowo-żelazowy ( LiFePO4 ) to dwa najpopularniejsze typy akumulatorów litowo-jonowych stosowanych obecnie w elektronice użytkowej i pojazdach elektrycznych.

Obydwa oferują wysoką gęstość energii, niskie samorozładowanie, wysokie napięcie ogniwa i niskie koszty utrzymania w porównaniu do innych akumulatorów.

Istnieje jednak kilka kluczowych różnic między nimi, dzięki którym każdy z nich lepiej nadaje się do określonych zastosowań.

litowo-jonowy

W akumulatorach litowo-jonowych wykorzystuje się tlenek litu i kobaltu ( LiCoO2 ) lub inne tlenki litu i metalu jako elektroda dodatnia i węgiel grafitowy jako elektroda ujemna.

Podczas rozładowywania jony litu przemieszczają się z elektrody dodatniej do elektrody ujemnej poprzez elektrolit i membranę separatora.

Ładowanie odwraca przepływ jonów. Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się dużą gęstością energii, ale mogą być niestabilne ze względu na wysoce reaktywną katodę kobaltową.

Lifepo4

Baterie LiFePO4 zastępują katodę z tlenku kobaltu fosforanem litowo-żelazowym ( LiFePO4 ), który jest bardziej stabilny strukturalnie i termicznie.

To sprawia, że LiFePO4 jest z natury bezpieczniejszy niż Li-ion, kosztem nieco niższej gęstości energii.

LiFePO4 oferuje również dłuższy cykl życia i lepszą wydajność w wyższych temperaturach.

Obydwa typy akumulatorów litowo-jonowych są dziś powszechnie stosowane w elektronice użytkowej, elektronarzędziach, pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania energii. Bardziej szczegółowo zbadamy kluczowe różnice między nimi.

Chemia

Akumulatory LiFePO4 mają katodę wykonaną z fosforanu litowo-żelazowego ( LiFePO4 ), podczas gdy w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych wykorzystuje się tlenek litu i kobaltu (LiCoO2), tlenek litu, niklu i manganu, kobaltu (NMC) lub inne katody z tlenku metalu.

Kluczowa różnica polega na materiale katody. LiFePO4 zapewnia bardziej stabilną i bezpieczniejszą chemię katod w porównaniu z katodami z tlenku metalu, które można znaleźć w zwykłych akumulatorach litowo-jonowych.

Struktura fosforanu żelaza jest odporna na utratę tlenu, nawet w przypadku przeładowania lub zwarcia. To sprawia, że LiFePO4 jest z natury niepalny i eliminuje ryzyko ucieczki termicznej.

Natomiast akumulatory litowo-jonowe z katodami kobaltowymi, niklowymi i manganowymi mogą uwalniać tlen w przypadku przeładowania lub uszkodzenia, co prowadzi do pożarów i eksplozji.

Warstwowa struktura tlenkowa nie ma stabilności struktury fosforanu oliwinu w LiFePO4. Ta zasadnicza różnica w chemii katod sprawia, że akumulatory LiFePO4 cieszą się doskonałą opinią w zakresie bezpieczeństwa.

Woltaż

Akumulatory LiFePO4 mają niższe napięcie nominalne w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. LiFePO4 działa przy napięciu około 3,2 V, podczas gdy akumulatory litowo-jonowe zwykle działają przy napięciu 3,6–3,7 V.

To niższe napięcie w LiFePO4 wynika ze składu chemicznego materiału katody. Katoda LiFePO4 ma płaski profil napięcia i może uwolnić tylko jeden elektron na jednostkę formuły podczas ładowania i rozładowywania.

Natomiast katody litowo-jonowe, takie jak tlenek litu i kobaltu (LiCoO2), mogą uwalniać większość jonów litu, umożliwiając uzyskanie wyższych napięć.

Niższe napięcie LiFePO4 oznacza, że więcej ogniw należy połączyć szeregowo, aby osiągnąć pożądane napięcie systemu.

Jednakże niższe napięcie zapewnia również pewne korzyści w zakresie bezpieczeństwa i stabilności w porównaniu z chemikaliami litowo-jonowymi o wyższym napięciu.

Ogólnie rzecz biorąc, nieco niższe napięcie LiFePO4 jest kompromisem, który pozwala na doskonałą stabilność i bezpieczeństwo jazdy na rowerze.

Ładowanie/rozładowanie

Akumulatory LiFePO4 mają bardzo płaską krzywą rozładowania w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych.

Oznacza to, że napięcie wyjściowe pozostaje bardziej spójne w miarę rozładowywania akumulatora. Z drugiej strony akumulatory litowo-jonowe mają nachyloną krzywą rozładowania, więc napięcie stopniowo maleje w miarę rozładowywania się akumulatora.

Płaska krzywa rozładowania LiFePO4 czyni je idealnymi do zastosowań wymagających stabilnego napięcia wyjściowego.

Rzeczy takie jak sterowniki silników i falowniki korzystają ze stałego napięcia zasilania podczas rozładowywania. W przypadku akumulatorów litowo-jonowych może wystąpić spadek wydajności wraz ze spadkiem napięcia.

LiFePO4 również ładuje się inaczej niż litowo-jonowy. Napięcie gwałtownie wzrasta do około 3,65 V i utrzymuje się na tym poziomie do czasu pełnego naładowania akumulatora.

Napięcie akumulatora litowo-jonowego stale rośnie podczas całego procesu ładowania. Oznacza to, że w większości przypadków LiFePO4 może lepiej wykorzystywać szybkie ładowanie niż akumulator litowo-jonowy.

Podsumowując, LiFePO4 zapewnia płaskie rozładowanie napięcia, podczas gdy litowo-jonowy stopniowo się nachyla. LiFePO4 ładuje się szybko do napięcia szczytowego, podczas gdy akumulator litowo-jonowy rośnie powoli.

Te cechy rozładowania/ładowania sprawiają, że LiFePO4 jest korzystny do zastosowań wymagających stabilnego napięcia i możliwości szybkiego ładowania.

Życie cykliczne

Akumulatory LiFePO4 mają znacznie dłuższą żywotność cykliczną w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych.

Podczas gdy akumulator litowo-jonowy może wytrzymać 500–1000 cykli, zanim ulegnie degradacji do 80% pojemności, LiFePO4 może zazwyczaj osiągnąć 2000–5000 cykli lub więcej. Niektóre ogniwa LiFePO4 zostały przetestowane przez ponad 10 000 cykli przy minimalnej utracie pojemności.

Kluczową przyczyną tak wydłużonego cyklu życia jest oliwinowa struktura krystaliczna materiału katody w LiFePO4.

Taka struktura umożliwia wprowadzanie i ekstrakcję jonów litu przy mniejszym naprężeniu i odkształceniu w porównaniu z warstwowymi katodami tlenkowymi, takimi jak tlenek litu i kobaltu.

Sztywna struktura LiFePO4 nie rozszerza się ani nie kurczy znacznie podczas jazdy na rowerze, co prowadzi do większej stabilności przez tysiące cykli.

Natomiast warstwowa struktura konwencjonalnych katod litowo-jonowych zmienia kształt bardziej radykalnie podczas jazdy na rowerze, w miarę dodawania i usuwania jonów litu.

Powoduje to większe fizyczne obciążenie elektrod i elektrolitu, co z czasem powoduje szybszą degradację akumulatora.

Zatem w zastosowaniach wymagających tysięcy cykli przez wiele lat, takich jak magazynowanie energii odnawialnej lub pojazdy elektryczne, LiFePO4 jest wyraźnym zwycięzcą w stosunku do zwykłych akumulatorów litowo-jonowych, jeśli chodzi o żywotność cykliczną.

Zdolność do wytrzymania 3–10 razy większej liczby cykli przed awarią sprawia, że LiFePO4 jest atrakcyjnym wyborem wszędzie tam, gdzie krytycznymi czynnikami są długoterminowa trwałość i żywotność.

Bezpieczeństwo

Baterie LiFePO4 są z natury bezpieczniejsze niż baterie litowo-jonowe. Wynika to ze struktury chemicznej i właściwości materiału katody.

W akumulatorach litowo-jonowych zwykle stosuje się materiały katodowe, takie jak tlenek litu i kobaltu (LiCoO2) lub tlenek litu, niklu, manganu i kobaltu (NMC).

Te warstwowe materiały katod tlenkowych są niestabilne, szczególnie w przypadku przeładowania lub zwarcia.

Może to prowadzić do uwolnienia tlenu z katody i wywołać ucieczkę termiczną, co może skutkować pożarem lub eksplozją.

Natomiast LiFePO4 ma strukturę krystaliczną oliwinu, która jest bardzo stabilna, nawet w warunkach nadużywania.

Silne wiązania kowalencyjne w strukturze fosforanowej niezwykle utrudniają uwalnianie tlenu.

W rezultacie LiFePO4 nie ulega łatwo ucieczce termicznej i jest znacznie mniej podatny na zapalenie lub eksplozję.

LiFePO4 może wytrzymać znacznie wyższe temperatury (do 700°F) przed rozkładem w porównaniu ze stosunkowo niską temperaturą niekontrolowanej temperatury litowo-jonowej.

Zwarcia, przeładowania i inne nadużycia elektryczne lub mechaniczne znacznie rzadziej spowodują katastrofalną awarię LiFePO4.

To nieodłączne bezpieczeństwo i stabilność jest głównym powodem, dla którego LiFePO4 jest preferowany w pojazdach elektrycznych i innych zastosowaniach, w których bezpieczeństwo ma kluczowe znaczenie.

Koszt

Baterie LiFePO4 są generalnie tańsze w przeliczeniu na kWh niż baterie litowo-jonowe.

Dzieje się tak, ponieważ LiFePO4 wykorzystuje fosforan żelaza jako materiał katody, który jest powszechny i niedrogi w porównaniu z kobaltem, niklem i manganem stosowanymi w katodach litowo-jonowych.

Dodatkowo LiFePO4 ma bardziej płaską krzywą rozładowania niż litowo-jonowy, dzięki czemu zużywa mniej elektroniki systemu zarządzania baterią.

Prostszy system zarządzania baterią dodatkowo zmniejsza koszty LiFePO4.

Jeśli chodzi o początkowe koszty akumulatorów, ceny akumulatorów LiFePO4 wahają się od 300–500 USD za kWh, podczas gdy pakiety litowo-jonowe kosztują 150–300 USD za kWh.

Jednak dłuższy cykl życia LiFePO4 w porównaniu z akumulatorem litowo-jonowym oznacza, że koszt cyklu lub koszt w całym okresie eksploatacji akumulatora jest niższy w przypadku LiFePO4.

Ogólnie rzecz biorąc, niższe koszty surowców i prostsza elektronika powodują, że LiFePO4 ma niższy koszt w przeliczeniu na kWh w całym cyklu życia pomimo wyższych kosztów początkowych.

To sprawia, że jest to atrakcyjny wybór w porównaniu z akumulatorem litowo-jonowym w wielu zastosowaniach, zwłaszcza tam, gdzie priorytetem jest długa żywotność i bezpieczeństwo.

Aplikacje

Zarówno akumulatory LiFePO4, jak i akumulatory litowo-jonowe są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach, ale każdy z nich ma zalety, dzięki którym lepiej nadają się do określonych zastosowań.

Akumulatory LiFePO4 są preferowane w zastosowaniach wymagających dużej mocy, takich jak elektronarzędzia i pojazdy elektryczne.

Ich bezpieczny skład chemiczny i zdolność do dostarczania wysokiego prądu sprawia, że dobrze nadają się do zastosowań, które wymagają dużej natychmiastowej mocy. LiFePO4 ma moc, gdy potrzebujesz mocy od razu.

Z drugiej strony akumulatory litowo-jonowe są często lepsze w przypadku mniejszych urządzeń elektronicznych, takich jak laptopy, telefony komórkowe i tablety.

Ich wyższa gęstość energii oznacza, że mogą przechowywać więcej energii w mniejszej i lżejszej obudowie.

Dzięki temu akumulator litowo-jonowy świetnie się sprawdza, gdy trzeba zoptymalizować przestrzeń i wagę, np. w smartfonie.

Wadą jest to, że nie radzą sobie również z dużym poborem mocy.

LiFePO4 idealnie nadaje się do narzędzi dużej mocy, pojazdów elektrycznych i innych zastosowań wymagających pulsowania dużego prądu. Ich bezpieczny skład chemiczny sprawia, że doskonale nadają się również do wyrobów medycznych.

Litowo-jonowy jest lepszy w elektronice użytkowej i innych zastosowaniach skupiających się na lekkości i małych rozmiarach. Ich wyższa gęstość energii jest idealna do maksymalizacji czasu pracy.

Każda technologia ma mocne strony w różnych zastosowaniach w zależności od konkretnych potrzeb i kompromisów. LiFePO4 do zasilania surowego, litowo-jonowy, gdy przestrzeń i waga mają kluczowe znaczenie.

Środowiskowy

Akumulatory LiFePO4 mają wyraźną przewagę środowiskową nad tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi.

Materiał katody w akumulatorach LiFePO4 wykorzystuje fosforan żelaza, który nie jest toksyczny i występuje w dużych ilościach.

Z kolei kobalt, nikiel i mangan stosowane w katodach litowo-jonowych są rzadszymi pierwiastkami, które w wysokich stężeniach mogą być niebezpieczne.

Podczas produkcji akumulatorów synteza LiFePO4 powoduje emisję minimalnych gazów cieplarnianych w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi.

Utylizacja jest również mniej problematyczna, ponieważ fosforan żelaza nie uwalnia toksycznych substancji chemicznych do środowiska.

Ogólnie rzecz biorąc, materiały i produkcja akumulatorów LiFePO4 mają znacznie mniejszy wpływ na środowisko.

W miarę wzrostu popularności pojazdów elektrycznych i systemów magazynowania energii wybór składu chemicznego akumulatorów będzie miał poważne skutki ekologiczne.

Powszechne przyjęcie LiFePO4 mogłoby znacząco zmniejszyć wpływ tych technologii na środowisko.

Dzięki zwiększonej trwałości i bezpieczeństwu akumulatory LiFePO4 prawdopodobnie odegrają wiodącą rolę w przejściu na zieloną energię.

Wniosek

Porównując LiFePO4 z akumulatorami litowo-jonowymi, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych różnic.

Akumulatory LiFePO4 mają niższą gęstość energii, ale lepszą stabilność termiczną i chemiczną.

Mają także dłuższą żywotność cykliczną, wolniejszy spadek pojemności i są z natury bezpieczniejsze.

Główną wadą jest ich niższe napięcie, co wymaga większej liczby ogniw połączonych szeregowo przy tym samym napięciu co litowo-jonowe.

Baterie litowo-jonowe mają wyższe napięcie i gęstość energii.

Dzięki temu można stosować mniejsze i lżejsze akumulatory o tej samej pojemności.

Są jednak mniej stabilne termicznie, podatne na efekty starzenia i mogą powodować ryzyko pożaru, jeśli nie są odpowiednio zarządzane.

W zastosowaniach, w których bezpieczeństwo i długa żywotność mają kluczowe znaczenie, takich jak pojazdy elektryczne i magazynowanie energii, LiFePO4 jest zwykle lepszym wyborem pomimo większych rozmiarów i wagi.

W przypadku elektroniki użytkowej, gdzie najważniejszy jest mały rozmiar, preferowany jest akumulator litowo-jonowy.

Chociaż w przypadku zastosowań pośrednich należy wziąć pod uwagę kompromisy.

Ogólnie rzecz biorąc, LiFePO4 jest bezpieczniejszym i trwalszym akumulatorem, ale zapewnia pewną wydajność w porównaniu z akumulatorem litowo-jonowym.

Dlatego wybierz akumulator litowo-jonowy, gdy optymalizujesz gęstość energii, oraz LiFePO4, gdy optymalizujesz bezpieczeństwo i trwałość cyklu. Rozważ priorytety dla konkretnego zastosowania.