En 2023, debido al crecimiento de la demanda en dos industrias posteriores, los vehículos de nueva energía y las baterías de litio para almacenamiento de energía, la capacidad de producción de fosfato de hierro y litio en China fue de 1.18 millones de toneladas en junio de 2022, y de 2023 millones de toneladas en junio de 2.47, un crecimiento interanual del 110%.
La oferta y la demanda de baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) siguen fluctuando en el mercado, y la batería LiFePO4 está ganando cada vez más popularidad y aplicaciones. Analicemos por qué las baterías LiFePO4 son una opción excepcional para una amplia gama de aplicaciones.
Introducción a la batería LFP (LiFePO4)
La batería de fosfato de hierro y litio también se llama batería LiFePO4 o LFP. Normalmente usamos el material del electrodo positivo para dar nombre a la batería, el electrodo negativo generalmente se usa como grafito para el electrodo negativo, como las baterías ternarias, que se refiere al material del electrodo positivo utilizado como NCM o NCA, las baterías de cobalto y litio, que utilizan cobalto y litio como material del electrodo positivo, de manera similar, el fosfato de hierro y litio se refiere al electrodo positivo que utiliza material de fosfato de hierro y litio.
Esta tabla muestra las especificaciones de una celda de batería LiFePO4.
| Especificación de la celda | Batería LiFePO4 |
| Voltajes nominales (V/celda) | 3.2V |
| Voltaje de trabajo (V/celda) | 3.0-3.3V |
| Densidad de energía (Wh/kg) | 175 Wh / kg |
| Rango de tasa de carga (C) | 0.5-1.5C, 1C típico |
| Tasa de descarga (C) | 2-10C |
| Voltaje mínimo de descarga | 2.5V |
| Voltaje máximo de carga | 3.65V |
| Ciclo de vida (1C) | ≥ 2000 (según situaciones reales) |
| Rango de temperatura de trabajo | -50 ~ 60 ℃ |
| Temperatura de fuga térmica | ≥ 500 ℃ |
La batería de LiFePO4 tiene una estructura de olivino en el electrodo positivo, conectado al electrodo negativo mediante una lámina de aluminio. En el centro, un diafragma de polímero separa el electrodo positivo del negativo. Los iones Li+ pueden moverse libremente, mientras que los electrones e- no. El electrodo negativo, situado a la derecha, está compuesto de carbono ( grafito ) y conectado al electrodo negativo mediante una lámina de cobre. El electrolito se encuentra herméticamente contenido en una carcasa metálica, fabricada con precisión CNC , ubicada entre los extremos superior e inferior.
Cuando la batería LiFePO4 se está cargando, los iones de litio Li+ en el electrodo positivo migran al electrodo negativo a través del separador polimérico; durante la descarga, los iones de litio Li+ migran del electrodo negativo al positivo a través del separador. En general, el voltaje nominal de la batería LiFePO4 es de 3.2 V, el voltaje de carga de terminación es de 3.6 V y el voltaje de corte es de 2.0 V.
La batería LiFePO4 posee 2000 ciclos de vida con una tasa de carga y descarga de 1C. Además, la prueba de punción no explota y la sobrecarga no es fácil de quemar y explotar. Su rendimiento de seguridad y ciclo de vida tienen mayores ventajas. El material del cátodo LFP hace que las baterías de litio de alta capacidad sean más fáciles de conectar en paralelo y en serie. Desde el principio del material, el fosfato de hierro y litio también es un proceso de inserción y extracción, este principio es idéntico al del LiCoO2 y LiMn2O4.
¿Cuáles son los diferentes tipos de baterías LiFePO4?
El tipo de batería LiFePO4 según el empaque de la celda tendrá diferentes formas de expresión; la celda se divide principalmente en tres tipos: cilíndrica, de bolsa blanda y prismática.
Tipo de batería LiFePO4 cilíndrica
Los modelos comunes de baterías cilíndricas son A, AA, AAA, C, D, F, etc., y los modelos de baterías cilíndricas LiFePO4 son los más comunes. Por otro lado, la especificación más utilizada es el modelo 18650, forma de expresión de la batería: ICR18650, 3.2 V, 2800 mAh. 18650 representa el tamaño externo de la batería: 18 se refiere al diámetro de la batería de 18.0 mm, y 650 se refiere a la altura de la batería de 65.0 mm. Debido a las diferencias en el nivel y el modo del proceso de producción de los fabricantes, el tamaño permite un cierto margen, el margen es de ± 0.02 mm.
Tipo de batería LiFePO4 de bolsa blanda
Las baterías LFP de bolsa blanda, en forma de una gama más amplia de apariencia, pueden ser triangulares, cuadradas, redondas, curvas, etc. Por lo tanto, el modelo de batería LFP de bolsa blanda será complejo y diverso, diferentes fabricantes tienen diferentes especificaciones de modelo, por lo que este tipo de batería es en su mayoría baterías de celdas personalizadas. Pero su voltaje nominal también es de 3.2 V, esto se debe a la decisión de las características del material de la batería de fosfato de hierro y litio.
Tipo de batería LiFePO4 prismática
Las baterías prismáticas de LiFePO4 se utilizan principalmente en baterías para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. El modelo de la batería se especifica en términos de grosor, ancho y longitud, como por ejemplo 60 Ah, 3.2 V, 30-135-220 mm y 70 Ah, 3.2 V, 30-135-222 mm. Estas baterías tienen el mismo grosor de 30 mm y un ancho de 135 mm, pero longitudes diferentes de 220 mm y 222 mm, respectivamente. Los modelos de baterías prismáticas de LiFePO4 tienen un voltaje nominal de 3.2 V, aunque el tamaño y la capacidad pueden variar.
Cada tipo de batería LiFePO4 tiene sus ventajas y consideraciones. Las baterías cilíndricas son populares por su versatilidad y disponibilidad, las baterías prismáticas ofrecen una mayor densidad de energía y las baterías de bolsa brindan flexibilidad en el diseño. La elección del tipo de batería depende de la aplicación específica, las restricciones de tamaño y los requisitos de energía.
¿Cuáles son los beneficios y contras de las baterías LiFePO4?
Las principales ventajas de las baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) son las siguientes:
Alta seguridad
El enlace P-O en la estructura cristalina del LiFePO4 es estable y difícil de descomponer. Incluso en condiciones de alta temperatura o sobrecarga, no sufre colapso estructural ni genera sustancias altamente oxidantes como las baterías de óxido de cobalto y litio. LiFePO4 tiene una temperatura de descomposición de aproximadamente 600°C, lo que contribuye a su excelente seguridad.
Larga vida útil
Las baterías de plomo-ácido suelen tener una vida útil de alrededor de 300 ciclos, con un máximo de aproximadamente 500 ciclos. En contraste, las baterías LiFePO4 pueden alcanzar una vida útil de más de 2000 ciclos cuando se utiliza una carga estándar (0.2C, 5 horas). En las mismas condiciones, las baterías LiFePO4 tienen una vida útil teórica de 7 a 8 años, mientras que las baterías de plomo-ácido del mismo peso generalmente no duran más de 1 a 1.5 años. Teniendo en cuenta todos los factores, la relación rendimiento-precio de las baterías LiFePO4 es teóricamente más de cuatro veces superior a la de las baterías de plomo-ácido.
Resistencia a altas temperaturas
Las baterías LiFePO4 tienen un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-20°C a +75°C) y exhiben una excelente resistencia a altas temperaturas. El pico térmico de las baterías LiFePO4 puede alcanzar de 350°C a 500°C, mientras que las baterías LiMn2O4 y LiCoO2 solo alcanzan alrededor de 200°C.
Gran capacidad
Las baterías LiFePO4 tienen una mayor capacidad en comparación con las baterías comunes, como las de plomo-ácido. La densidad de energía de las baterías de plomo-ácido es de aproximadamente 40 Wh/kg, mientras que las baterías LiFePO4 convencionales en el mercado alcanzan densidades de energía de 90 Wh/kg o más.
Sin efecto memoria
Las baterías LiFePO4, como la mayoría de las baterías de iones de litio, no tienen efecto memoria. Se pueden recargar y utilizar en cualquier estado de carga sin necesidad de descargarlas completamente primero. Las baterías recargables a menudo experimentan una disminución en la capacidad si se operan con frecuencia sin descargarse por completo, lo que se conoce como efecto memoria.
Ligereza
Las baterías LiFePO4 de la misma capacidad tienen un volumen que es dos tercios del de las baterías de plomo-ácido y un peso que es un tercio del de las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, su densidad de energía es varias veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido.
Respetuosas con el medio ambiente
Las baterías LiFePO4 generalmente se consideran libres de metales pesados y metales raros, no tóxicas (certificadas SGS), no contaminantes y cumplen con las regulaciones europeas RoHS. Se consideran baterías verdes y respetuosas con el medio ambiente. La amabilidad ambiental de las baterías de litio es una de las razones clave por las que son favorecidas por la industria.
Desventajas de las baterías LiFePO4
Amenaza del hierro elemental : Durante el proceso de sinterización en la preparación de LiFePO4, existe la posibilidad de que el óxido de hierro se reduzca a hierro elemental en atmósferas reductoras de alta temperatura. El hierro elemental puede provocar microcortocircuitos en las baterías y es la sustancia más indeseable en los sistemas de baterías. Esta es también la razón principal por la que Japón no ha adoptado este material como material de cátodo principal para baterías de iones de litio de alta potencia.
Deficiencias de rendimiento: El LiFePO4 presenta algunas deficiencias de rendimiento, como una densidad aparente y una densidad compactada muy bajas, lo que resulta en una baja densidad energética de la batería. También tiene un rendimiento deficiente a bajas temperaturas, incluso con nanotecnología y recubrimiento de carbono; este problema persiste. Los resultados de las pruebas de baterías de LiFePO4 indican que no pueden alimentar vehículos eléctricos a temperaturas inferiores a 0 °C. Si bien algunos fabricantes afirman que las baterías de LiFePO4 mantienen una buena capacidad a bajas temperaturas, esto solo es cierto en condiciones de baja corriente de descarga y voltaje de corte de descarga muy bajo. En tales situaciones, los dispositivos ni siquiera pueden comenzar a funcionar.
Inconsistencia deficiente: Ya sea por la preparación del material o por la fabricación. Es difícil garantizar la consistencia del producto, y la plataforma de voltaje del fosfato de hierro y litio es más estrecha, lo que dificulta la observación de la batería.
¿Cuáles son las aplicaciones de las baterías LiFePO4?
Las baterías LiFePO4 se han convertido en la opción más popular para los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) en la industria solar y de energías renovables. Son conocidas por ser seguras, eficientes y tener una vida útil extremadamente larga. Diferentes paquetes de baterías con voltajes de 12 V, 24 V y 48 V se utilizan comúnmente como reemplazo de las baterías de plomo-ácido tradicionales.
Para sistemas solares pequeños, se recomienda la batería LiFePO4 de CM Batteries, como las opciones de 12 V/24 V 200 Ah o la de 48 V 300 Ah de mayor capacidad. La batería CMB 12.8 V es un buen ejemplo porque el mismo tamaño de carcasa que la batería de plomo-ácido original permite un reemplazo y una actualización directos.
Las baterías LiFePO4 modulares se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones, incluidos vehículos eléctricos, almacenamiento de energía renovable, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y dispositivos electrónicos portátiles. Las baterías modulares de fosfato de hierro y litio son paquetes de baterías en serie-paralelo que también son más estables debido a un BMS mejorado.
Para sistemas solares residenciales, el tipo de batería LiFePO4 "Power Wall" es popular debido a su atractivo estético y su capacidad para integrarse en la decoración interior.
En áreas donde los cortes de energía son frecuentes, las baterías LiFePO4 son una mejor opción para los sistemas UPS, ya que ofrecen una vida útil de ciclo más larga en comparación con las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, en áreas con cortes de energía poco frecuentes, las baterías de plomo-ácido pueden ser más rentables.
Para carros de golf, vehículos de baja velocidad, vehículos eléctricos, sistemas de videovigilancia y seguridad, cámaras solares , vehículos recreativos, autocaravanas, caravanas, barcos y aplicaciones marinas, se prefieren las baterías LiFePO4 debido a su menor peso, mayor rendimiento y mayor vida útil.
En general, las baterías LiFePO4 se utilizan cada vez más en diversas industrias y aplicaciones debido a sus numerosas ventajas y avances tecnológicos.
¿Cómo cargar un paquete de baterías LiFePO4?
Cargar correctamente una batería LiFePO4 es similar a cargar una batería de plomo-ácido. El proceso de carga se puede dividir en tres etapas: Carga de Corriente Constante (CC), Carga de Voltaje Constante (CV) y Carga de Mantenimiento.
Etapa de Corriente Constante (CC)
Durante la etapa de carga de Corriente Constante (CC), se aplica una corriente de carga constante, lo que hace que el voltaje aumente continuamente hasta que alcanza el voltaje máximo, como 14.6 V.
Etapa de Voltaje Constante (CV)
En la etapa de carga de Voltaje Constante (CV), el voltaje se mantiene constante mientras que la corriente de carga disminuye lentamente hasta por debajo de 0.05C.
Carga de Mantenimiento (Flotante)
La carga de mantenimiento, también conocida como carga flotante, no es necesaria para las baterías LiFePO4. A diferencia de las baterías de plomo-ácido, las baterías LiFePO4 no necesitan cargarse al 100% para evitar la sulfatación. La sobrecarga de una batería LiFePO4 puede llevar a la acumulación de demasiados iones de litio, lo que provoca la fuga de electrones. El ciclo de carga/descarga recomendado para las baterías LiFePO4 es del 10% al 90%.
Parámetros de carga recomendados
El voltaje de carga para las baterías LiFePO4 debe estar entre 14.0 V y 14.6 V a 25°C, o de 3.50 V a 3.65 V por celda. El mejor voltaje de carga es de 14.4 V o 3.60 V por celda. Cargar más allá de 3.65 V por celda puede reducir ligeramente la capacidad pero aumentar el número de ciclos. Si el voltaje de la batería excede el rango recomendado, se debe detener la carga inmediatamente. Las baterías LiFePO4 no requieren carga flotante. Si el cargador tiene una configuración de voltaje flotante, se recomienda configurarlo a 13.6 V para evitar cualquier efecto de carga en la batería.
Las baterías LiFePO4 se cargan a temperaturas que oscilan entre 0°C y 55°C. Cargar por debajo de 0°C puede cristalizar los iones de litio y reducir la capacidad efectiva. Sin embargo, algunas baterías LiFePO4 de baja temperatura tienen mecanismos de autocalentamiento incorporados que permiten la carga a temperaturas alrededor de -10°C. En estos casos, el sistema de gestión de batería (BMS) controla el calentamiento interno de la batería.
Antes de conectar baterías LiFePO4 en serie , es importante cargarlas completamente para garantizar una alta consistencia. Esto evita que una batería alcance niveles de voltaje demasiado altos o bajos antes que las demás, lo que podría provocar desequilibrios energéticos. Comprobar periódicamente el voltaje de la batería y mantener la diferencia de voltaje por debajo de 50 V puede prolongar su vida útil. Si la diferencia de voltaje es grande, también se puede considerar el uso de balanceadores de baterías.
¿Se puede usar un BMS de Li-ion para una batería LiFePO4?
La respuesta es un definitivo "NO". Un Sistema de Gestión de Batería (BMS) de Li-ion no se puede utilizar directamente con una batería LiFePO4 (fosfato de hierro y litio). Las baterías LiFePO4 difieren en sus propiedades y necesidades de carga de otros tipos de baterías de iones de litio, como las de óxido de cobalto y litio (LiCoO2) y las de óxido de manganeso y litio (LiMn2O4).
Las baterías de LiFePO4 presentan un rango de voltaje y características de carga/descarga diferentes a las de otras tecnologías de iones de litio. Suelen tener una plataforma de voltaje más baja (alrededor de 3.2-3.3 V por celda) en comparación con las plataformas de voltaje más altas (alrededor de 3.6-3.7 V por celda) de las baterías de iones de litio. Además, las baterías de LiFePO4 ofrecen una química más estable, menor riesgo de sobrecalentamiento y una vida útil más prolongada.
Para un funcionamiento seguro y óptimo de la batería LiFePO4, utilice siempre un BMS dedicado diseñado específicamente para la química LiFePO4.
Los requisitos clave del BMS incluyen:
- Mantener el equilibrio de las celdas
- Programar umbrales de voltaje para que coincidan con las especificaciones LiFePO4
- Calibrar las tasas de carga/descarga para la seguridad de la batería
- Monitorear la temperatura en tiempo real
El uso de un BMS de Li-ion diseñado para otras químicas de iones de litio con una batería LiFePO4 puede provocar un monitoreo inexacto, una carga inadecuada y posibles riesgos de seguridad. Por lo tanto, es importante utilizar un BMS de diseño específico para baterías LiFePO4 para garantizar un rendimiento, seguridad y longevidad óptimos de la batería.
Comparación de las baterías LiFePO4 con otras baterías de iones de litio
Las baterías recargables de iones de litio se presentan en diferentes tipos, a saber: Li-Po (polímero de litio) , Li-ion (ión de litio) y LiFePO4 (fosfato de hierro y litio), y cada una tiene sus propias características distintivas. Como se muestra en la tabla a continuación:
| Característica | Li-Po | Li-ion | LiFePO4 |
| Química | electrolito de polímero | electrolito liquido | Cátodo de fosfato de hierro y litio |
| Densidad Energética | Más alto | Medio | Más baja |
| Seguridad | Menos seguro | Moderadamente segura | Más segura |
| Vida en ciclos | Moderado | Medio | Más alto |
| Costo | Más baja | Medio | Más alto |
| Usos comunes | Drones, vehículos RC | Portátiles, smartphones, herramientas eléctricas | Vehículos eléctricos, almacenamiento de energía renovable |
Las baterías LiFePO4 ofrecen la química de iones de litio más segura y duradera, aunque su menor densidad de energía y mayor costo limitan algunas aplicaciones.
Las baterías de LiFePO4 están revolucionando la industria gracias a su excepcional seguridad, larga vida útil y rendimiento fiable. Su adaptabilidad las hace idóneas para una amplia gama de aplicaciones. Para conocer las características únicas, los requisitos de carga y las ventajas de las baterías de LiFePO4, contáctenos para obtener más información.
