bélyegkép|Egy 302Ah-s LiFePO4 akkumulátor, CATL
A lítium-vasfoszfát akkumulátor ( akkumulátor) vagy LFP akkumulátor (lítium-ferrofoszfát ) egy lítium-ion akkumulátortípus, amelyben lítium-vasfoszfát () a katód anyaga, az anód pedig fém bevonatú grafit. Olcsóságuk, magas szintű biztonságuk, alacsony toxicitásuk, hosszú élettartamuk és egyéb kedvező tulajdonságaik az LFP akkumulátorokat sokféle célra használják az elektromos járművekben, helyhez kötött alkalmazásokban és tartalék áramforrásként. 2022 szeptemberére az elektromos járművekben az LFP akkumulátorok piaci részesedése elérte a 31%-ot, amelyből 68%-ot kizárólag az elektromos járműgyártók, a Tesla és BYD képviselte.
2022-ben már szinte csak kínai gyártók készítenek LFP típusú akkumulátorokat. Mivel a szabadalmak 2022-ben kezdtek lejárni és megnőtt az olcsóbb elektromos járművekben használható akkumulátorok iránti kereslet, az LFP akkumulátorok gyártása várhatóan tovább fog növekedni és meghaladja megelőzi majd a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) típusokat.
Az LFP akkumulátorok fajlagos energiasűrűsége alacsonyabb, mint más elterjedt lítium-ion akkumulátortípusoké (például a nikkel-mangán-kobalt (NMC) és a nikkel-kobalt-alumínium (NCA) akkumulátoroké). 2024-től a CATL cég LFP akkumulátorának fajlagos energiája, cellánként elérte a 205 wattórát, kilogrammonként (Wh/kg). A BYD által készített LFP akkumulátor fajlagos energiasűrűsége pedig 150 Wh/kg. A legjobb NMC akkumulátorok fajlagos energiasűrűsége meghaladja a 300 Wh/kg-ot. Figyelemre méltó, hogy a 2020-as Tesla, Model 3 középkategóriás szedánban használt Panasonic "2170" NCA akkumulátorában ez az érték 260 Wh/kg. Az LFP akkumulátorok üzemi feszültsége alacsonyabb, mint más lítium-ion akkumulátortípusoké.
Specifikációk bélyegkép|300x300px| Több lítium-vasfoszfát modul sorba- és párhuzamosan kötve egy 2800 amperórás (Ah) és 52 V-os akkumulátor modulban. Így a teljes kapacitás 145,6 kWh. Figyelemre méltó a modulokat összekötő nagy, tömör, rézből készült, ónozott sín. Ezt 700 A, 48V egyenáramú rendszerhez méretezték. bélyegkép|400x400px| Lítium-vasfoszfát modulok, egyenként 700 Ah, 3,25 V. Két-két modul párhuzamosan van kötve, így egyetlen 3,25 V-os és 1400 Ah-s akkumulátorcsomagot alkotnak, amelynek kapacitása 4,55 kWh. bélyegkép|LIFePO4 akkumulátor töltési (Charge) és kisütési (Discharge) diagramja
Cellafeszültség Minimális kisütési feszültség = 2,0–2,8 V Üzemi feszültség = Maximális feszültség = Maximális töltési feszültség = 3,60–3,65 V Tömegre vonatkozó energiasűrűség = 95–172 W·h/kg (340-620 kJ/kg). A 2023 végén, 2024 elején bejelentett legújabb verzió jelentősen javult ebben a tekintetben, 180-ról 205 -re. W·h/kg, mindezt a termelési költségek növelése nélkül. Térfogati energiasűrűség = 227–396 W·h/l Az akkumulátorok életideje 2500-tól a több mint 9000 számú töltés-kisütés ciklust is elérheti, a körülményektől függően. Ez valószínűleg jelentősen nőni fog és a következő generációs, nagy energiasűrűségű változatok esetében elérheti a 15000 ciklust.
Összehasonlítás más akkumulátor típusokkal Az LFP akkumulátorok lítium-ion kémiát alkalmaznak, számos előnnyel, de hátrányokkal is rendelkeznek, más lítium-ionokon alapuló akkumulátortípusokkal szemben.
Alapanyagok elérhetősége A vas és a foszfátok nagyon gyakoriak a földkéregben. Az LFP sem nikkelt , sem kobaltot nem tartalmaz, amelyek mindegyike jóval kisebb mennyiségben áll rendelkezésre, ezért drága. A lítiumhoz hasonlóan együtt a kobalt használatával kapcsolatban is felmerültek emberi jogi és környezetvédelmi aggályok, de hasonló a helyzet a nikkel kitermelésével kapcsolatban is.
Az LFP akkumulátorok ára Az USA Energiaügyi Minisztériuma által 2020-ban közzétett jelentés összehasonlította az LFP, illetve az NMC alapú, nagyméretű energiatároló rendszerek költségeit. Megállapították, hogy az LFP akkumulátorok esetén a kW·h-kénti ára körülbelül 6%-kal alacsonyabb, mint az NMC akkumulátoroké és az előrejelzések szerint az LFP cellák körülbelül 67%-kal tovább maradnak használhatók (azaz több töltés-kisütés ciklust bírnak). Az akkumulátorcella jellemzői közötti különbségek miatt a tárolórendszer egyes egyéb alkatrészeinek költsége valamivel magasabb lenne ugyan az LFP esetében. Azonban, összességében, kW·h-ként az LFP még így is is olcsóbb, mint az NMC.
2020-ban az LFP cellák átlagára 137 USD/kWh,
2023-ra az átlagár 100 USD/kWh-ra csökkent,
2024 elejére a VDA kapacitású LFP cellák 0,5 RMB/W·h alatti áron (70 USD/kWh) voltak elérhetők, a kínai autógyártó, a Leapmotor kijelentette, hogy 0,4 RMB/W·h-ért (56 USD/kW·h) vásárol LFP cellákat és úgy véli, hogy az ár 0,32 RMB/W·h-ra (44 USD/kW·h) csökkenhet.
2024 közepére az összeszerelt LFP akkumulátorok körülbelül 115 USD/kW·h áron voltak elérhetők az Egyesült Államokban.
Előnyös öregedési és ciklus-élettartam jellemzők Az LFP kémia lényegesen hosszabb ciklusidőt kínál, mint más lítium-ion kémiák. A legtöbb esetben több mint 3000 töltés-kisütés ciklust bír ki, optimális körülmények között több mint 10000-et, mielőtt tárolókapacitása az eredeti érték 80%-a alá csökken. Az NMC akkumulátorok a körülményektől függően körülbelül 1000–2300 ciklust bírnak ki.
Az LFP cellák lassabb kapacitásveszteséget mutatnak (hosszabb naptári élettartammal rendelkeznek) mint a lítium-ion akkumulátorok, mint például a kobalt (), mangán spinell (), lítium-ion polimer (LiPo) vagy lítium-ion akkumulátorok.
A savas ólomakkumulátorok helyettesítője A névleges 3,2 V cellafeszültséggel, négy cellát sorba kötve egy 12,8 V-os modult kapunk, ami közel azonos, a hat cellás ólomakkumulátor névleges feszültségével. Az LFP akkumulátorok jó biztonsági jellemzői mellett ez az ólomakkumulátorok helyettesítői lehetnek például az autóipari és napelemes alkalmazásokban, feltéve, hogy a töltőrendszereket átalakítják úgy, hogy a töltőfeszültség ne mehessen 3,6 V DC fölé, cellánként, nincs hőmérséklet-alapú feszültségkompenzáció, vagy folyamatos csepptöltés. Az LFP cellákat legalább ki kell egyensúlyozni, mielőtt a összekötnék őket egyetlen modullá és egy védelmi rendszert is be kell építeni annak biztosítására, hogy egyetlen cella se merülhessen le 2,5 V feszültség alá. Ilyenkor ugyanis a legtöbb esetben súlyos károsodás következik be, mert deinterkalációval a LiFePO4 visszafordíthatatlanul FePO4 -vá alakul. Az akkumulátor feltöltéskor bevitt összes elektromos töltésnek akár 90%-a visszanyerhető belőle kisütéskor (90% hatásfok). Akár 1-2 óra alatt feltölthető, sokkal gyorsabban, mint az ólomakkumulátor. Feltöltéskor azonban figyelni kell arra, hogy az LFP akkumulátor 0 °C alatt töltve károsodik (lítium leválás következik be), de -20 °C és +60 °C között tárolható és használható.
Biztonság egyik fontos előnye más lítium-ion akkumulátorokkal szemben a termikus és kémiai stabilitás, ami miatt ezek az akkumulátorok biztonságosabbak. Különösen a réteges oxid katódanyagokhoz, például a lítium-kobalt-oxidhoz () és az NMC-hez képest, amelyek melegítés hatására oxigént szabadítanak fel. Az LFP általában náluk magasabb bomlási hőmérséklettel rendelkezik.
Az LFP akkumulátor stabil aktív állapotban, normál környezeti levegővel érintkezve nem gyullad meg, ezért nem hajlamos tüzek okozására. Gyakorlatilag éghetetlen, jó általános termikus és kémiai stabilitással. Extrém körülmények között, azonban az LFP akkumulátorok is kigyulladhatnak, hasonlóan sok más típusú akkumulátorhoz, például túltöltés, nagyon magas hőmérséklet, vagy nagyom erős mechanikai, fizikai károsodás esetén. Működése során nem bocsájt ki káros gázokat, így belső terekben is biztonságosan használható
Alacsonyabb energiasűrűség Egy új LFP akkumulátor energiasűrűsége (energia/térfogat) 2008-ban körülbelül 14%-kal alacsonyabb volt, mint egy új akkumulátor esetén. Mivel a kisütési sebesség az akkumulátor kapacitásának százalékában van megadva, nagyobb akkumulátor (több amperóra ) használatával magasabb sebesség érhető el, ha csak alacsony áramerősségű akkumulátorokat kell használni.
Felhasználás bélyegkép|LFP cellák, házilag készített akkumulátorcsomagban Az LFP akkumulátorok gyakoriak az álló tárolórendszerekben a kedvezőbb áruk, a biztonságosságuk és jelentősen hosszabb élettartamuk (ciklusszám) miatt. 2025-ben az LFP akkumulátorok a helyhez kötött tárolóól piacán körülbelül 85%-ban voltak jelen. Ezekben a helyhez kötött alkalmazásokban kevésbé hátrányos az, hogy kisebb az LFP alacsonyabb energiasűrűsége más lítiumion-kémiájú akkumulátortípusokhoz képest (az NMC-nél nagyobb tömegű akkumulátor rendelkezik ugyanakkora tárolókapacitással).
Elektromos járművek bélyegkép|BYD C9 elektromos meghajtású távolsági autóbusz Az LFP akkumulátorokat számos elektromos járműben használják költségeik, hőstabilitásuk és hosszú élettartamuk miatt. A magasabb kategóriájú járművek azonban jellemzően NMC típust használnak a nagyobb teljesítménysűrűségük (kisebb tömeg) miatt. 2025-ben a személygépkocsikban és könnyű járművekben használt LFP akkumulátorok piaci részesedése Kínában 79%, Európában 13%, Észak-Amerikában 5%, a világ többi részén pedig 57% volt.
2022 szeptemberében az LFP akkumulátorok 31%-os piaci részesedéssel rendelkeztek az elektromos járművek akkumulátorainak piacán. Ennek 68%-át két vállalat, a Tesla és a BYD adta.
Példák
A Chevrolet egy 21,3 kW·h-s LFP akkumulátort használt a 2014-es modellévű Spark EV- ben. Az akkumulátorcellákat az A123 Systems gyártotta. A Renault egy 27,5 kW·h-s LFP akkumulátort használ a 2026-tól forgalmazott, kizárólag elektromos hajtású negyedik generációs Twingo modelljében. A Tesla Motors LFP akkumulátorokat használ az összes 2021 októbere után gyártott standard hatótávolságú 3-as és Y modelljében, kivéve a 2022-től kezdődően 4680 cellával gyártott standard hatótávolságú járműveit, amelyekben továbbra is NMC akkumulátorok vannak
Egyéb felhasználások Néhány e-cigaretta LFP akkumulátort használ. Egyéb alkalmazások közé tartoznak a hajózási elektromos rendszerek, zseblámpák, rádióvezérelt modellek, hordozható motoros berendezések, amatőr rádióberendezések, ipari érzékelőrendszerek és vészvilágítások.
Történetük egy természetes ásvány, amelyet trifilitként ismerünk. Arumugam Manthiram és John B. Goodenough azonosították elsőként a lítium-ion akkumulátorok katódanyagainak polianion osztályát. A -t ezután a polianion osztályba tartozó anyagként 1996-ban Padhi és munkatársai használták akkumulátorokban katódként.": A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries", A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, Electrochemical Society Meeting Abstracts, 96-1, May, 1996, pp 73 Sikeresen bemutatták a lítium reverzibilis extrakcióját -ből, illetve a lítium beépítését -be. Alacsony költsége, az, hogy nem mérgező, természetes a vastartalma, kiváló hőstabilitása és biztonsági jellemzői, elektrokémiai teljesítménye és fajlagos kapacitása (170 mA·h/g, vagy elektromos töltésben 610 C/g ) jelentős piaci elfogadottságot hozott.
A kereskedelmi forgalomba hozatal fő akadálya az anyag alacsony elektromos vezetőképessége volt. Ezt a problémát a részecskeméret csökkentésével, illetve a részecskéket bevonték vezetőképes anyagokkal, például szén nanocsövekkel. Michel Armand és munkatársai a Hydro-Québec-nél és a Montréali Egyetemen fejlesztették ki ezt a megoldást 2015-ben.Másképp közelítette meg ezt a problémát az MIT-n dolgozó Yet Ming Chiang kutatócsoporta, az LFP adalékolták, hozzáadva alumínium, nióbium és cirkónium kationjait.
A korai lítium-ion akkumulátorokban vazelinkokszból készültwk a negatív elektródák (anód), a későbbi típusokban már inkább természetes, vagy szintetikus grafitot használtak.David Linden (ed.), Handbook of Batteries 3rd Edition, McGraw Hill 2002, , pages 35–16 and 35–17
Jegyzetek
Fordítás
Kategória:Foszfátok Kategória:Akkumulátor- és szárazelemgyártás