Litium-rautafosfaattiakku

Litium-rauta­fosfaatti­akku (LiFePO4-akku tai LFP) on litiumioniakku, joka käyttää litiumrautafosfaattia (LiFePO4) katodimateriaalina. Litium-rauta­fosfaatti­akkukennon nimellinen jännite on 3,3 V. Litium-rauta­fosfaatti­akku kestää tuhansia lataus-purku-jaksoja ja se on perinteisiä litiumakkutekniikoita turvallisempi. Ominaisuuksiensa takia sitä pidetään sopivana akkuna sähköautoihin. Litium-rautafosfaattiakun energiatiheys on noin 100 Wh/kg. SolidEnergy-yhtiö on ilmoituksensa mukaan kehittänyt turvallisen litium-akun, jonka energiasisältö on 400–500 Wh/kg, tekniikka hyödyntää ultraohuita metallianodeja.

Litiumrautafosfaatin hinta raaka-ainemarkkinoilla on korkeampi kuin useampien teollisuuden raaka-aineiden, noin 30 000-50 000 USD tonnilta (2015).

Historia 
LiFePO4 on oliviiniryhmään kuuluva silikaattimineraali. LiFePO4-akun kehitti John Goodenoughin tutkijaryhmä Teksasin yliopistossa 1996. Litiumrautafosfaattia käytetään akuissa katodina.  Litiumrautafosfaatin ominaisuuksien, kuten edullisuuden, myrkyttömyyden, raudan runsaan esiintyvyyden, turvallisuusominaisuuksien, lämpöstabiiliuden ja sähkökemiallisten ominaisuuksien takia sitä pidetään lupaavana katodimateriaalina pienille ja suurille sovelluksille.Suurin este sen kaupallistumiselle oli sen luontaisesti matala sähkönjohtavuus. Ongelman ratkaisi Michael Armand ja hänen ryhmänsä pienentämällä partikkeleiden hiukkaskokoa sekä päällystämällä LiFePO4-hiukkasia sähkönjohtavilla materiaaleilla. Yet Ming Chiangin ryhmä esitteli seostusmenetelmän, jossa litiumrautafosfaattiin lisätään pieniä määriä metalli-ioneja, kuten alumiinia, niobiumia ja zirkoniumia.

MIT esitteli uuden päällystyksen, jonka ansiosta ionit pääsevät liikkumaan helpommin akun sisällä. Tämä ns. “beltway battery” hyödyntää ohitusjärjestelmää, joka mahdollistaa litiumionien menevän ja poistuvan elektrodeista sellaisella nopeudella, että akku latautuu täysin alle minuutissa. Tutkijat keksivät, että päällystämällä LiFePO4-partikkelit litiumpyrofosfaatilla, ionit ohittavat kanavat ja liikkuvat nopeammin kuin muissa akuissa. Akut lataavat ja purkavat energiaa siten, että ionit liikkuvat anodien ja katodien välillä. Lataus- ja purkausnopeudet riippuvat siitä, kuinka nopeasti ionit liikkuvat. Tällä teknologialla akkujen kokoa ja massaa voitaisiin pienentää. MIT:n tutkijaryhmä on tehnyt pienen prototyyppikennon, joka latautuu täyteen 10-20 sekunnissa. Standardilla tavalla valmistetut kennot latautuvat kuudessa minuutissa.

Toimintaperiaate 
Litium-rautafosfaattiakku koostuu katodista (LiFePO4), anodista (grafiitti) ja elektrolyytistä. Anodimateriaalina käytetään grafiittia.  Akkua purettaessa litiumionit liikkuvat anodista katodiin ja ladattaessa takaisin. Litiumioniakkuja kutsutaankin "keinutuoliakuiksi" edestakaisin siirtyvien ionien takia. 

Purettaessa anodilla tapahtuu hapettumisreaktio, jonka yhteydessä vapautuu elektroneja. Elektronit kulkevat ulkoisen piirin kautta katodille aikaansaaden sähkövirran. Katodilla tapahtuu pelkistymisreaktio. Ladattaessa reaktiot tapahtuvat päinvastaiseen suuntaan. 

Reaktioyhtälöt ovat :

Katodilla  FePO4 + Li+ + e- ⇌ LiFePO4

Anodilla LiC ⇌ C + Li+ + e-

Hyödyt ja haitat 
Litium-rautafosfaattiakulla on samoja hyötyjä kuin muillakin litiumioni -teknologiaan pohjautuvilla akuilla, mutta selvästi paras se on kapasiteettinsa pysyvyyden, kylmänkestonsa (toimii -20 Celsiukseen saakka) sekä turvallisuuden vuoksi. Haittapuoliin kuuluu kohtalainen hintavuus sekä akun paino verrattuna muihin litiumakkutyyppeihin.

Litium-rautafosfaattiakku purkautuu muista litiumioni-akuista poiketen tasaisesti noin 3,2 V jännitteellä kunnes akku on lähes tyhjä. 3,2 V nimellisjännite mahdollistaa neljän kennon yhdistämisen sarjaan 12,8 V akuksi.

Akun kapasiteetti pysyy samalla tasolla varastoinnista tai käytöstä riippumatta.

Verrattuna uusiin LiCoO2 -akkuihin LiFePO4 -akuilla on korkeammat virta- ja tehotasot mutta alhaisempi energiatiheys. 

Akkuteknologian käyttöönottoa ovat jarruttaneet patenttiepäselvyydet, mikä on johtanut muiden vaihtoehtoisten materiaalien tutkimiseen.

Turvallisuus 

Litium-rautafosfaattiakulla on hyvä lämpökemiallinen stabiilius verrattuna muihin litiumioni -akkuihin. LiFePO4 on luonnostaan turvallisempi katodimateriaali kuin LiCoO2 tai LiPO. 

Kaikki litium on siirtynyt täyteen ladatun kennon katodilta pois, minkä ansiosta kennolla ei tapahdu eksotermistä reaktiota hapen vapautuessa. 

Katodi pysyy rakenteellisesti samankaltaisena reaktion alussa ja lopussa, minkä ansiosta kenno on rakenteellisesti stabiili. 

Litium-rautafosfaattiakku on huomattavasti turvallisempi käsitellä ja kestää myös väärinkäyttöä paremmin kuin muut litium-ioni -akut.

Litium-rautafosfaattiakku on muita litium-ioniakkuja ympäristöturvallisempi, sillä sen valmistuksessa ei ole käytetty raskasmetalleja.

Käyttö 
Akkutyyppi on erityisen sopiva ajoneuvoihin, kuten sähköpolkupyöriin, -skoottereihin ja -autoihin pitkän elinkaarensa, korkean purkausnopeutensa, turvallisuutensa sekä keveytensä (verrattuna lyijyakkuihin) ansiosta. Autoissa sitä ovat käyttäneet muun muassa Aptera Motors, Ouicc! ja Tesla.

Ajoneuvojen lisäksi akkutyypillä on myös monia muita käyttötarkoituksia. Litium-rautafosfaattiakkuja käytetään muun muassa sähkösavukkeissa, turvavalaisimissa, aurinkokennoilla varustetuissa pienvalaisimissa kuten puutarhavalaisimissa, taskulampuissa ja RC-autoissa. Erityisesti korkeamman hintaluokan RC-autoissa akkuja suositaan niiden turvallisuuden ja korkean purkuvirran vuoksi.

Aiheesta muualla 
Motiva: Akut

Lähteet

Litiumioniakut

ja:リチウムイオン二次電池#リン酸鉄リチウムイオン電池