Przegląd
Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO4), znany również jako akumulator LFP (lithium ferrophosphate), to rodzaj akumulatora litowo-jonowego, w którym katodę stanowi fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4), a anodę grafitowa elektroda węglowa z metalowym podkładem. Dzięki niskiemu kosztowi, wysokiemu poziomowi bezpieczeństwa, nietoksyczności oraz długiej żywotności cyklicznej, akumulatory LFP znajdują szerokie zastosowanie w pojazdach elektrycznych, stacjonarnych systemach magazynowania energii oraz jako zasilanie awaryjne.
Akumulatory LFP nie zawierają kobaltu. We wrześniu 2022 roku ich udział w rynku akumulatorów do pojazdów elektrycznych osiągnął 31%, z czego aż 68% pochodziło od producentów Tesla i BYD. Chińscy producenci niemal całkowicie zdominowali rynek produkcji akumulatorów LFP. W związku z wygaśnięciem patentów w 2022 roku oraz rosnącym zapotrzebowaniem na tańsze akumulatory do pojazdów elektrycznych, oczekuje się, że produkcja akumulatorów LFP będzie nadal rosła i w 2028 roku przewyższy produkcję akumulatorów litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych (NMC).
Akumulatory LFP mają niższą gęstość energii w porównaniu do innych popularnych typów akumulatorów litowo-jonowych, takich jak NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe) i NCA (niklowo-kobaltowo-aluminiowe). Na poziomie ogniwa, akumulator LFP produkcji CATL w 2024 roku osiąga gęstość energii na poziomie 205 Wh/kg, podczas gdy akumulatory BYD oferują 150 Wh/kg. Dla porównania, najlepsze akumulatory NMC przekraczają 300 Wh/kg.
Dla akumulatorów NCA firmy Panasonic typu „2170”, stosowanych w Tesli Model 3 z 2020 roku, gęstość energii wynosi około 260 Wh/kg, co stanowi 70% ich teoretycznej wartości chemicznej. Akumulatory LFP mają również niższe napięcie robocze w porównaniu do innych technologii litowo-jonowych.
Historia
LiFePO4 to naturalny minerał znany jako triphylit. Arumugam Manthiram i John B. Goodenough jako pierwsi zidentyfikowali klasę polianionów materiałów katodowych dla akumulatorów litowo-jonowych. W 1996 roku Padhi i inni zidentyfikowali LiFePO4 jako materiał katodowy należący do tej klasy, przeznaczony do zastosowania w akumulatorach. Wykazano odwracalną ekstrakcję litu z LiFePO4 oraz wstawianie litu do FePO₄. Dzięki niskim kosztom, nietoksyczności, powszechnej obecności żelaza, doskonałej stabilności termicznej, właściwościom bezpieczeństwa, wydajności elektrochemicznej i pojemności właściwej (170 mA·h/g, czyli 610 C/g) zyskał szerokie uznanie na rynku.
Główną barierą w komercjalizacji była jego niska przewodność elektryczna. Problem ten rozwiązano poprzez zmniejszenie rozmiaru cząsteczek, pokrywanie cząsteczek LiFePO4 materiałami przewodzącymi, takimi jak nanorurki węglowe, lub łączenie obu tych metod. Podejście to zostało opracowane przez Michela Armanda i jego współpracowników z Hydro-Québec oraz Uniwersytetu w Montrealu w 2015 roku. Inne podejście, opracowane przez grupę Yet Ming Chianga z MIT, polegało na domieszkowaniu LiFePO4 kationami materiałów, takich jak aluminium, niobium i cyrkon.
Wczesne akumulatory litowo-jonowe wykorzystywały jako elektrodę ujemną (anodę, podczas rozładowania) koks naftowy; późniejsze modele stosowały naturalny lub syntetyczny grafit.
Specyfikacje
Napięcie ogniwa
Minimalne napięcie rozładowania = 2,0–2,8 V
Napięcie robocze = 3,0 ~ 3,3 V
Maksymalne dopuszczalne napięcie = 2,5 ~ 3,47 V
Maksymalne napięcie ładowania = 3,60–3,65 V
Gęstość energii
Gęstość energii objętościowa = 220 Wh/L (790 kJ/L)
Gęstość energii masowa > 90 Wh/kg (> 320 J/g), do 160 Wh/kg (580 J/g)
Najnowsza wersja ogłoszona pod koniec 2023 roku i na początku 2024 roku znacznie poprawiła gęstość energii – z 180 do 205 Wh/kg – bez zwiększania kosztów produkcji.
Żywotność cykliczna
Od 2 500 do ponad 9 000 cykli, w zależności od warunków użytkowania.
Wersje nowej generacji o zwiększonej gęstości energii prawdopodobnie osiągną maksymalnie około 15 000 cykli ładowania.
Porównanie z innymi typami akumulatorów
Dostępność surowców
Żelazo i fosforany są powszechnie występującymi pierwiastkami w skorupie ziemskiej. Akumulatory LFP nie zawierają niklu ani kobaltu, które są kosztowne i mają ograniczoną podaż. Wydobycie kobaltu i niklu budzi również obawy związane z prawami człowieka oraz ochroną środowiska.
Koszt
Według raportu Departamentu Energii z 2020 roku koszt magazynów energii opartych na LFP był o 6% niższy niż w przypadku NMC, a ich żywotność była szacowana na 67% dłuższą. Chociaż niektóre komponenty systemów magazynowania dla LFP są droższe, całościowo pozostają one bardziej opłacalne na jednostkę energii niż NMC.
W 2020 roku najniższe ceny ogniw LFP wynosiły 80 USD/kWh (12,5 Wh/USD), przy średniej 137 USD/kWh. W 2023 roku spadły one do 100 USD/kWh, a na początku 2024 roku ceny ogniw w standardzie VDA w Chinach osiągnęły poziom poniżej 70 USD/kWh. Producent Leapmotor kupował ogniwa za 56 USD/kWh, przewidując dalszy spadek do 44 USD/kWh. W połowie 2024 roku gotowe baterie LFP były dostępne w USA za około 115 USD/kWh.
Lepsza trwałość i żywotność cykliczna
Chemia LFP zapewnia znacznie dłuższą żywotność cykliczną niż inne akumulatory litowo-jonowe. W większości przypadków obsługują ponad 3 000 cykli, a w optymalnych warunkach nawet ponad 10 000. Dla porównania, akumulatory NMC wytrzymują od 1 000 do 2 300 cykli.
Ogniwa LFP tracą pojemność wolniej niż inne technologie, takie jak LiCoO₂, LiMn₂O₄ czy akumulatory litowo-polimerowe.
Alternatywa dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych
Akumulatory LFP mają napięcie nominalne 3,2 V na ogniwo, co umożliwia łączenie czterech ogniw w szereg, uzyskując 12,8 V – wartość zbliżoną do sześciocelowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dzięki wysokiemu poziomowi bezpieczeństwa stanowią dobrą alternatywę dla akumulatorów ołowiowych w zastosowaniach motoryzacyjnych i solarnych. Należy jednak dostosować systemy ładowania, aby uniknąć uszkodzenia ogniw przez zbyt wysokie napięcia ładowania, nierównomierne rozładowanie czy stałe doładowywanie.
Bezpieczeństwo
Jedną z kluczowych zalet akumulatorów LFP w porównaniu do innych chemii litowo-jonowych jest ich stabilność termiczna i chemiczna, co zwiększa bezpieczeństwo użytkowania. LiFePO₄ jest bardziej stabilnym materiałem katodowym niż LiCoO₂, ponieważ nie zawiera kobaltu, który może sprzyjać niekontrolowanemu wzrostowi temperatury. Wiązanie P–O w jonach (PO₄)³⁻ jest mocniejsze niż wiązanie Co–O w (CoO₂)⁻, co sprawia, że w sytuacjach ekstremalnych (np. zwarcia, przegrzanie) uwalnianie tlenu następuje wolniej, zmniejszając ryzyko pożaru.
Podczas migracji litu w akumulatorach LiCoO₂, struktura katody ulega znacznym zmianom, co może prowadzić do degradacji ogniwa. Natomiast w akumulatorach LFP struktura pozostaje stabilna zarówno w stanie naładowanym, jak i rozładowanym.
W pełni naładowane ogniwo LFP nie zawiera już litu w katodzie, podczas gdy w ogniwach LiCoO₂ pozostaje go około 50%. Akumulatory LFP są również odporne na utratę tlenu, co w innych ogniwach prowadzi do reakcji egzotermicznych i potencjalnych pożarów. W rezultacie ogniwa LFP są trudniejsze do zapalenia podczas niewłaściwego użytkowania, zwłaszcza w trakcie ładowania.
Niższa gęstość energii
Gęstość energii nowych ogniw LFP w 2008 roku była o około 14% niższa niż w przypadku ogniw LiCoO₂. Ponieważ maksymalny prąd rozładowania jest zależny od pojemności akumulatora, wyższy prąd można uzyskać poprzez zastosowanie większych ogniw (z większą liczbą amperogodzin), jeśli konieczne jest użycie ogniw o niższej gęstości prądowej.
Zastosowania
Domowe magazynowanie energii
Enphase odegrał pionierską rolę w popularyzacji akumulatorów LFP, podobnie jak SunFusion Energy Systems z modelami LiFePO4 Ultra-Safe ECHO 2.0 i Guardian E2.0 do użytku domowego i komercyjnego. Powodem wyboru tej technologii były niższe koszty oraz większe bezpieczeństwo przeciwpożarowe, choć rynek pozostaje podzielony między różne chemie akumulatorowe. Mimo niższej gęstości energii w porównaniu do innych technologii litowych, większa masa i objętość są bardziej akceptowalne w zastosowaniach stacjonarnych. W 2021 roku na rynku magazynowania energii dla gospodarstw domowych działało wielu dostawców, m.in. SonnenBatterie i Enphase. Tesla Motors stosowała akumulatory NMC w swoich produktach do magazynowania energii domowej aż do premiery Powerwall 3 w 2023 roku. Akumulatory w projektach użytkowych Tesli przeszły na technologię LFP już w 2021 roku. Według EnergySage, Enphase stał się najczęściej wybieraną marką akumulatorów do domowego magazynowania energii w USA, wyprzedzając Teslę i LG w 2021 roku.
Pojazdy
Wyższa moc rozładowania potrzebna do przyspieszania, niższa waga i dłuższa żywotność sprawiają, że akumulatory LFP są idealne do wózków widłowych, rowerów elektrycznych i samochodów elektrycznych. Coraz częściej stosuje się także 12-woltowe akumulatory LiFePO4 jako dodatkowe źródło energii w przyczepach kempingowych, kamperach i łodziach.
Tesla Motors wykorzystuje akumulatory LFP we wszystkich standardowych wersjach Modeli 3 i Y wyprodukowanych po październiku 2021 roku, z wyjątkiem pojazdów standard-range wyposażonych w ogniwa 4680, które korzystają z chemii NMC.
We wrześniu 2022 roku akumulatory LFP stanowiły 31% rynku akumulatorów do pojazdów elektrycznych, z czego 68% dostarczyły firmy Tesla i BYD. W 2021 roku akumulatory LFP oficjalnie prześcignęły akumulatory ternarne pod względem zainstalowanej pojemności, osiągając 52% udziału w rynku. Prognozy wskazują, że w 2024 roku udział ten przekroczy 60%.
W lutym 2023 roku Ford ogłosił inwestycję w wysokości 3,5 miliarda dolarów na budowę fabryki w stanie Michigan, która będzie produkować tańsze akumulatory do swoich pojazdów elektrycznych. Projekt pozostanie w pełni własnością spółki zależnej Forda, ale będzie wykorzystywał technologię licencjonowaną od chińskiej firmy CATL.
Oświetlenie solarne
Pojedyncze ogniwa LFP w standardzie „14500” (rozmiar AA) zaczęły zastępować akumulatory NiCd/NiMH o napięciu 1,2 V w oświetleniu ogrodowym zasilanym energią słoneczną.
Wyższe napięcie robocze (3,2 V) w porównaniu do NiMH/NiCd umożliwia zasilanie diody LED bez konieczności stosowania układów podwyższających napięcie. Ponadto, większa odporność na umiarkowane przeładowanie w porównaniu do innych akumulatorów litowych pozwala na bezpośrednie podłączenie ogniw LiFePO4 do paneli fotowoltaicznych bez dodatkowej elektroniki zarządzającej cyklem ładowania.
Od 2013 roku pojawiły się bardziej zaawansowane lampy solarne z czujnikami ruchu PIR. Pojemność ogniw LFP w rozmiarze AA wynosi około 600 mAh, co oznacza, że przy poborze prądu 60 mA przez jasne diody LED, czas świecenia wynosi maksymalnie 10 godzin. Jednak przy sporadycznym aktywowaniu, takie lampy mogą być wystarczające nawet w warunkach słabego nasłonecznienia, ponieważ ich układy elektroniczne zużywają mniej niż 1 mA w trybie czuwania.
Pojazdy rekreacyjne (RV) i żegluga
Tradycyjnie w pojazdach kempingowych i zastosowaniach morskich stosowano akumulatory kwasowo-ołowiowe, takie jak AGM czy GEL. Wraz z postępem technologii i większą świadomością konsumentów, akumulatory LiFePO4 stają się standardem. Są one wykorzystywane zarówno do głębokiego rozładowania, jak i jako akumulatory rozruchowe, np. do zasilania oświetlenia, lodówek i ładowania elektroniki pokładowej.
Największe zalety LiFePO4 w porównaniu do akumulatorów ołowiowych to dłuższa żywotność cykliczna oraz większa pojemność użytkowa. Akumulatory kwasowo-ołowiowe oferują jedynie 50% swojej pojemności użytkowej, podczas gdy akumulatory litowe mogą być wykorzystywane w pełni, co pozwala na zaoszczędzenie miejsca i wagi w pojazdach kempingowych. Koniec z wożeniem dziesięciu ciężkich akumulatorów, aby zasilać kampera przez całą dobę!
Inne zastosowania
Akumulatory LiFePO4 są również stosowane w niektórych modelach e-papierosów, systemach elektrycznych dla łodzi i napędów morskich, latarkach, modelach zdalnie sterowanych, przenośnym sprzęcie z napędem elektrycznym, urządzeniach amatorskiej radiokomunikacji, czujnikach przemysłowych i oświetleniu awaryjnym.
