Lityum demir fosfat pil

Lityum demir fosfat ( veya LFP pil (lityum ferrofosfat) pil; Katot olarak lityum demir fosfat () ve anot olarak metalik arkalıklı bir grafit karbon kullanan bir lityum iyon pildir. Düşük maliyet, yüksek güvenlik, düşük toksisite, uzun döngü ömürleri ve diğer faktörler nedeniyle, LFP pilleri araç kullanımında, şebeke ölçeğinde yedek güç sistemlerinde yer bulmaktadır. LFP piller kobalt içermez. Eylül 2022 itibarıyla EV'ler için LFP tipi pilin pazar payı %31'e ulaştı ve bunun %68'i yalnızca Tesla ve Çinli EV üreticisi BYD üretiminden geldi. Çinli üreticiler şu anda LFP pil tipi üretiminde neredeyse tekele sahiptir. 2022'de patent sürelerinin dolmaya başlaması ve daha ucuz pillere olan talebin artmasıyla LFP tipi üretimin 2028'de lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) tipi pilleri geçecek şekilde artması bekleniyor.
LFP pilin enerji yoğunluğu, nikel manganez kobalt (NMC) ve nikel kobalt alüminyum (NCA) gibi diğer lityum iyon pil türlerinden daha düşük ve daha düşük çalışma voltajına sahiptir; CATL'nin LFP pilleri şu anda kg başına 125 watt saate (Wh) sahip, geliştirilmiş paketleme teknolojisiyle muhtemelen 160 Wh/kg'a kadar çıkarken, BYD'nin LFP pilleri 150 Wh/kg'da iken, şu anda 300 Wh/kg'ın üzerinde olan en yüksek NMC pillerden aha düşüktür. 2020 yılında Tesla'nın Model 3'ünde kullanılan Panasonic'in 2170 NCA pillerinin enerji yoğunluğu, "saf kimyasal" değerinin %70'i olan 260 Wh/kg civarındadır.
Tarih
olivine ailesinden (triphylite)) doğal bir mineraldir. Arumugam Manthiram ve John B. Goodenough ilk kez lityum iyon piller için polyanion sınıfı katod malzemesi tanımladı. LiFePO4, daha sonra 1996 yılında Padhi ve diğerleri tarafından da pillerde kullanılmak üzere polianyon sınıfına ait bir katot malzemesi olarak tanımlandı. LiFePO4'ten lityumun tersinir ekstraksiyonu ve FePO4'e eklenmesi gösterildi. Düşük maliyeti, toksik olmaması, doğal demir bolluğu, mükemmel termal kararlılığı, güvenlik özellikleri, elektrokimyasal performans ve özgül kapasitesi (170 mAh/g veya 610 C/g) nedeniyle piyasada önemli ölçüde kabul görmüştür.
Ticarileştirmenin önündeki başlıca engel, doğası gereği düşük elektrik iletkenliğiydi. Bu problem, partikül boyutunu küçülterek, partiküllerinikarbon nanotüpler gibi iletken malzemeler le kaplayarak giderilebildi. Bu yaklaşım, Michel Armand ve çalışma arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. Yet Ming Chiang'ın grubunun başka bir yaklaşımı, LFP'yi alüminyum, niyobyum ve zirkonyum gibi malzemelerin katyonlarıyla dopingden oluşuyordu.
İlk lityum-iyon pillerde petrokoktan yapılmış negatif elektrotlar (anot) kullanılıyordu; sonraki türler doğal veya sentetik grafit kullandı.
Özellikler
Hücre gerilimi
Minimum deşarj voltajı = 2.0-2.8 V
Çalışma voltajı =
Maksimum şarj voltajı = 3,60-3,65 V
Hacimsel enerji yoğunluğu = 220 Watt saat / Litre (790 kJ/L)
Gravimetrik enerji yoğunluğu > 90 Wh/kg (> 320 J/g). 160'a kadar Wh/kg (580 J/g).
Koşullara bağlı olarak 2.700'den 10.000'den fazla döngüye kadar döngü ömrü.
Diğer pil türleri ile karşılaştırma
LFP pili, lityum iyondan türetilmiş bir kimya kullanır ve diğer lityum iyon pil kimyalarıyla birçok avantaj ve dezavantajı paylaşır. Ancak, önemli farklılıklar var.
Kaynak kullanılabilirliği
Demir ve fosfatlar yer kabuğunda çok yaygındır. LFP ne nikel ne de kobalt içerir, bunların her ikisi de sınırlı arza sahip ve pahalıdır. Lityumda olduğu gibi, kobaltın kullanımıyla ilgili insan hakları ve çevresel endişeler dile getirilmiştir. Nikelin çıkarılmasıyla ilgili çevresel kaygılar da dile getirildi.
Maliyet
2020'de bildirilen en düşük LFP hücre fiyatları 80 $/kWh (12,5 Wh/$) idi.
ABD Enerji Bakanlığınca yayınlanan bir 2020 raporu, LFP ile NMC ile inşa edilen büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinin maliyetlerini karşılaştırmasında LFP pillerinin maliyetinin NMC'den yaklaşık %6 daha az ve pil ömrünün %67 daha uzun olacağını öngördü. Hücrenin özellikleri arasındaki farklılıklar nedeniyle, depolama sisteminin diğer bazı bileşenlerinin maliyeti LFP için biraz daha yüksek olacaktır, ancak yine de NMC'den kWh başına daha az maliyetli olmaya devam edecektir.
Daha iyi yaşlanma ve çevrim ömrü özellikleri
LFP, diğer lityum iyon pillerden önemli ölçüde uzun bir döngü ömrü sunar. Çoğu koşulda 3.000 ve optimum koşullar altında 10.000'den fazla döngüyü destekler. NMC piller, koşullara bağlı olarak yaklaşık 1.000 ila 2.300 döngüyü destekler.
LFP hücreleri, veya manganez spinel () lityum-polimer piller (LiPo pil) gibi lityum-iyon pil kimyalarına göre daha yavaş bir kapasite kaybı yaşar.
Kurşun asitli akülere uygulanabilir bir alternatif
12,8 nominal voltaj için 3.2V çıkışlı dört hücre seri olarak yerleştirilebilir. Bu, altı hücreli kurşun asitli pillerin nominal voltajına yakındır. LFP akülerinin iyi güvenlik özelliklerinin yanı sıra bu, şarj sistemlerinin aşırı şarj voltajları (3,6'nın üzerinde) nedeniyle LFP hücrelerine zarar vermeyecek şekilde uyarlanması koşuluyla, LFP'yi otomotiv ve güneş enerjisi uygulamaları gibi uygulamalarda kurşun-asit piller için iyi bir alternatif haline getirir. LFP hücreleri, paket birleştirilmeden önce dengelenmeli ve hiçbir hücrenin 2,5 voltajın altına deşarj edilmemesini sağlamak için bir koruma sistemi uygulanmalıdır. Çoğu durumda, LiFePO4'ün FePO4'e geri dönüşü olmayan interkalasyonu nedeniyle ciddi hasar meydana gelebilmektedir.
Emniyet
Diğer lityum iyon kimyalarına göre önemli bir avantaj, pil güvenliğini artıran termal ve kimyasal kararlılıktır.
LiFePO4, termal kaçağı teşvik edebilen negatif sıcaklık direnç katsayısı ile kobaltın çıkarılması yoluyla LiCoO2 ve manganez dioksit spinellerinden doğası gereği daha güvenli bir katot malzemesidir. iyonu içindeki PO bağı, iyonundaki Co-O bağından daha güçlüdür ve bu sebeple (kısa devre, aşırı ısınma vb.), kötüye kullanımda oksijen atomları daha yavaş salınır. Redoks enerjilerinin bu stabilizasyonu aynı zamanda daha hızlı iyon göçünü de destekler.
Lityum, bir LiCoO2 hücresinde katottan dışarı çıkarken, CoO2, hücrenin yapısal bütünlüğünü etkileyen doğrusal olmayan bir genişlemeye maruz kalır. LiFePO4'ün lityumlu ve lityumsuz halleri yapısal olarak tamamen benzerdir, bu da LiFePO4 hücrelerinin yapısal olarak LiCoO2 hücrelerinden daha kararlı olması anlamına gelir.
Tamamen şarj edilmiş bir LFP hücresinin katodunda lityum kalmaz, bir hücrede yaklaşık %50 kalır.. tipik olarak diğer lityum hücrelerde ekzotermik bir reaksiyonla sonuçlanan oksijen kaybı sırasında oldukça dirençlidir. Sonuç olarak, Yanlış kullanım durumunda (özellikle şarj sırasında) hücrenin tutuşması daha zordur. pil yüksek sıcaklıklarda ayrışmaz.
Düşük enerji yoğunluğu
Yeni bir LFP pilinin enerji yoğunluğu (enerji/hacim), yeni bir ten yaklaşık %14 daha düşüktür. Deşarj oranı akü kapasitesinin bir yüzdesi olduğundan, daha büyük bir akü (daha fazla amper saat ) kullanılarak daha yüksek bir oran elde edilebilir. Daha da iyisi, yüksek akımlı kullanılabilir bir LFP hücresi aynı kapasiteye sahip kurşun asit veya LiCoO2 pilden daha yüksek deşarj oranına sahip olacaktır.
Kullanımı
Evde enerji depolama
Enphase, maliyet ve yangın güvenliği nedenleriyle LFP ev tipi depolama pillerine öncülük etti, ancak pazar rakip kimyalar arasında bölünmüş durumda. Diğer lityum kimyalarına kıyasla daha düşük enerji yoğunluğu kütle ve hacim eklese de, her ikisi de statik bir uygulamada daha tolere edilebilir. 2021'de ev kullanıcı pazarında SonnenBatterie ve Enphase dahil olmak üzere birkaç tedarikçi vardı. Tesla Motors, ev tipi enerji depolama ürünlerinde NMC pilleri kullanmaya devam ediyor, ancak 2021'de şebeke ölçeğinde LFP'ye geçti. EnergySage'e göre ABD'de en sık alıntılanan ev tipi enerji depolamalı pil markası, 2021'de Tesla Motors ve LG'yi geride bırakan Enphase'dir.
Araçlar
Hızlanma, daha düşük ağırlık ve daha uzun ömür için gereken daha yüksek deşarj oranları, bu akü tipini forklift, bisiklet ve elektrikli arabalar için ideal hale getirir. 12V LiFePO4 piller ayrıca karavan veya tekne için popülerlik kazanıyor.
Tesla Motors, Ekim 2021'den beri üretilen tüm standart sınıf Model 3 ve Y'de LFP pilleri kullanıyor.
Eylül 2022 itibarıyla LFP pilleri, tüm EV pil pazarındaki pazar payını %31'e çıkardı. Bunların %68'i iki şirket, Tesla ve BYD tarafından dağıtıldı.
Lityum demir fosfat piller, kurulu kapasitenin %52'si ile 2021'de diğer pilleri resmen geride bıraktı. Analistler, 2024 yılında pazar payının %60'ı geçeceğini tahmin ediyor.
Ford, Şubat 2023'te Michigan'da bazı elektrikli araçları için düşük maliyetli piller üretecek bir fabrika inşa etmek için 3,5 milyar dolar yatırım yapacağını duyurdu. Proje tamamen bir Ford yan kuruluşuna ait olacak, ancak Çinli pil şirketi Contemporary Amperex Technology Co. Limited'den (CATL) lisanslı teknolojiyi kullanacak.
Güneş enerjili aydınlatma sistemleri
AA pil boyutunda tek "14500" LFP hücreleri bazı güneş enerjisiyle çalışan peyzaj aydınlatmasında 1,2 V NiCd / NiMH yerine kullanılmaktadır.
LFP daha yüksek (3.2 V) çalışma voltajı, tek bir hücrenin voltajı yükseltmek için devresi olmayan bir LED'i sürmesini sağlar. Mütevazı aşırı şarja karşı artan toleransı (diğer Li hücre tipleriyle karşılaştırıldığında), yeniden şarj döngüsünü durdurmak için devre olmadan fotovoltaik hücrelere bağlanabilir. Bir LED'i tek bir LFP hücresinden çalıştırabilme özelliği, pil tutucularını ve dolayısıyla birden fazla çıkarılabilir şarj edilebilir pil kullanan ürünlerle ilgili korozyon, yoğuşma ve kir sorunlarını da ortadan kaldırır.
2013 yılına kadar güneş enerjisiyle daha iyi şarj edilebilen kızılötesi pasif güvenlik lambaları ortaya çıktı. AA boyutlu LFP hücreleri yalnızca 600 mAh kapasiteye sahip olduğundan (lambanın parlak LED'i 60 mA çekebilir), üniteler en fazla 10 saat parlar. Bununla birlikte, tetikleme yalnızca ara sıra gerçekleşiyorsa, lamba elektroniği 1 mA'nın altında karanlık sonrası "boş" akımlar sağladığından, bu tür üniteler düşük güneş ışığında bile tatmin edici olabilir.
Diğer kullanımlar
Bazı elektronik sigaralarda bu tip piller kullanılmaktadır. Diğer uygulamalar arasında deniz elektrik sistemleri ve tahrik, el fenerleri, radyo kontrollü modeller, taşınabilir motorlu ekipman, amatör telsiz ekipmanı, endüstriyel sensör sistemleri ve acil durum aydınlatması yer alır.
Burada tartışılan yeni bir değişiklik, potansiyel olarak kararsız ayırıcıyı daha kararlı bir malzeme ile değiştirmektir. Son keşifler, LiFePO4'ün ve bir dereceye kadar Li-ion'un ısı nedeniyle bozunabileceğini buldu; test hücreleri parçalara ayrıldığında, analiz edildiğinde, daha önce inanılan kararlı ayırıcının moleküler parçalanmasının yaygın bir başarısızlık modu olduğunu düşündüren kiremit kırmızısı bir bileşik oluşmuştur. Bu durumda, yan reaksiyonlar kademeli olarak Li iyonlarını tüketerek onları sabit bileşiklerde hapseder, böylece mekikle çevrilemezler. Ayrıca, harici cihazların dahili kısa devre oluşumunu tespit etmesine izin veren üç elektrotlu pil, dendrit sorununa kısa vadeli potansiyel bir çözümdür.