En 2023, debido al crecimiento de la demanda de los vehículos de nueva energía y las baterías de litio para almacenamiento de energía, dos industrias transformadoras, la capacidad de producción de fosfato de hierro y litio de China: 1.18 millones de toneladas en junio de 2022, en junio de 2023 fue de 2.47 millones de toneladas, un crecimiento interanual. del 110%.
La oferta o demanda de baterías de fosfato de hierro y litio continúa cambiando en el mercado, la batería lifepo4 está ganando gradualmente un enfoque y aplicaciones generalizados. Así que profundicemos en lo que hace Baterías LiFePO4 una elección extraordinaria para una amplia gama de aplicaciones.
Introducción a la batería LFP (LiFePO4)
Las baterías de fosfato de hierro y litio también se denominan baterías LiFePO4 o LFP. Generalmente, se denominan baterías con el electrodo positivo, mientras que el electrodo negativo se utiliza generalmente para el grafito. Por ejemplo, en las baterías ternarias, el electrodo positivo se denomina NCM o NCA. En las baterías de litio-cobalto-ácido, el electrodo positivo se denomina ácido de litio-cobalto. De igual manera, el fosfato de hierro y litio se refiere al electrodo positivo del fosfato de hierro y litio.
Esta tabla muestra las especificaciones de una celda de batería LiFePO4.
| Especificación de celda | Batería LiFePO4 |
| Tensiones nominales (v/celda) | 3.2V |
| Voltaje de trabajo (v/celda) | 3.0-3.3V |
| Densidad de energía (WH/kg) | 175 Wh / kg |
| Rango de velocidad C de carga (C) | 0.5-1.5 °C 1 °C típico |
| Tasa C de descarga (C) | 2-10C |
| Voltaje mínimo de descarga | 2.5V |
| Voltaje de carga máximo | 3.65V |
| Vida útil (1C) | ≥ 2000 (según situaciones realistas) |
| Rango de temperatura de trabajo | -50 ~ 60 ℃ |
| Temperatura térmica desbocada | ≥ 500 ℃ |
La batería LiFePO4 es una estructura de olivino de LiFePO4 como electrodo positivo de la batería, que está conectado al electrodo positivo de la batería mediante una lámina de aluminio. El centro es un diafragma de polímero, que separa el electrodo positivo del electrodo negativo. Sin embargo, Li+ puede moverse libremente, pero el electrón e- no puede moverse. El electrodo negativo de la batería está a la derecha, que consta de carbono (grafito) y está conectado al electrodo negativo de la batería mediante una lámina de cobre. El electrolito de la batería está herméticamente encerrado por una carcasa metálica, fabricada con CNC precisión, y ubicada entre los extremos superior e inferior.
Cuando la batería LiFePO4 se está cargando, el ion de litio Li+ del electrodo positivo migra al electrodo negativo a través del diafragma de polímero; Durante la descarga, el ion de litio Li+ migra del electrodo negativo al electrodo positivo a través del diafragma. 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 ni explotar. Su rendimiento de seguridad y su ciclo de vida tienen mayores ventajas. El material del cátodo LFP facilita la conexión de baterías de litio de alta capacidad en paralelo y en serie. Desde el principio del material, el fosfato de hierro y litio también es un tipo de proceso de incrustación y desincrustación; este principio es idéntico al LiCoO2 y LiMn2O4.
¿Cuáles son los diferentes tipos de baterías LiFePO4?
El tipo de batería LiFePO4 según el empaque del núcleo tendrá diferentes formas de expresión, el núcleo se divide principalmente en tres tipos: cilíndrico, blando y cuadrado.
Tipo de batería cilíndrica LiFePO4
Los modelos comunes de batería cilíndrica A, AA, AAA, C, D, F, etc., y los modelos de batería cilíndrica LiFePO4 son los más comunes. Por otro lado, la especificación más utilizada son los modelos 18650, formas de expresión de batería: ICR18650, 3.2V, 2800mAh. 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 modo del proceso de producción de los fabricantes, el tamaño permite que exista un cierto espacio, el espacio es de ± 0.02 mm.
Batería tipo LiFePO4 de bolsa blanda
Las baterías LFP de bolsa, en una variedad más amplia de apariencia, pueden ser triangulares, cuadradas, redondas, curvas, etc. Por lo tanto, el modelo de batería LFP de bolsa será complejo y diversos fabricantes tienen diferentes especificaciones de modelo, por lo que este tipo de batería son en su mayoría baterías de celdas personalizadas. Pero su voltaje nominal también es de 3.2 V, esto se debe a las características del material de la batería de fosfato de hierro y litio de la decisión.
Tipo de batería prismática LiFePO4
Prismático Baterías LiFePO4 Se utilizan principalmente en baterías de vehículos de nueva energía y paquetes de baterías de almacenamiento de energía. El modelo de batería se expresa en términos de grosor, ancho y largo, como 60Ah, 3.2V, 30-135-220 mm, 70Ah, 3.2V y 30-135-222 mm. Representan el mismo espesor de 30 mm y ancho de 135 mm, pero diferentes longitudes de 220 mm y 222 mm respectivamente. Los modelos de batería prismática LiFePO4 tienen un voltaje nominal de 3.2 V, excepto que el tamaño y la capacidad pueden ser diferentes.
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 las desventajas de las baterías LiFePO4?
Las principales ventajas de las baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) son las siguientes:
Alto rendimiento de seguridad
El enlace PO en la estructura cristalina del LiFePO₄ es estable y difícil de descomponer. Incluso a altas temperaturas o en condiciones de sobrecarga, no sufre colapso estructural ni genera sustancias altamente oxidantes como las baterías de óxido de litio y cobalto. El LiFePO₄ tiene una temperatura de descomposición de aproximadamente 4 °C, lo que contribuye a su excelente rendimiento de seguridad.
Larga vida útil
Las baterías de plomo-ácido suelen tener un ciclo de vida de alrededor de 300 ciclos, con un máximo de aproximadamente 500 ciclos. Por el contrario, las baterías LiFePO4 pueden alcanzar una vida útil de más de 2000 ciclos cuando se utilizan carga estándar (0.2 C, 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 no suelen durar 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 mayor que la de las baterías de plomo-ácido.
Resistencia a altas temperaturas
Las baterías LiFePO4 tienen un amplio rango de temperaturas de funcionamiento (de -20 °C a +75 °C) y presentan 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 normales, 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 de memoria
Las baterías LiFePO4, como la mayoría de las baterías de iones de litio, no tienen efectos memoria. Se pueden recargar y utilizar en cualquier estado de carga sin necesidad de descargarlos por completo primero. Las baterías recargables suelen experimentar una disminución de su capacidad si se utilizan con frecuencia sin estar completamente descargadas, lo que se conoce como efecto memoria.
Ligeros.
Las baterías LiFePO4 de la misma capacidad tienen un volumen de dos tercios de las baterías de plomo-ácido y un peso de un tercio de las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, su densidad energética es varias veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido.
Sostenible.
Generalmente se considera que las baterías LiFePO4 están libres de metales pesados y metales raros, no son tóxicas (certificadas por SGS), no contaminantes y cumplen con la normativa europea RoHS. Se consideran baterías ecológicas y respetuosas con el medio ambiente. El respeto al medio ambiente de las baterías de litio es una de las razones clave por las que la industria las prefiere.
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 catódico primario para baterías de iones de litio de tipo eléctrico.
Deficiencias de rendimiento: LiFePO4 tiene algunas deficiencias de rendimiento, como una densidad de pulsación muy baja y una densidad compactada, lo que resulta en una baja densidad de energía de la batería. También tiene un rendimiento deficiente a bajas temperaturas; incluso con nanodimensionamiento y recubrimiento de carbono, este problema sigue sin resolverse. Los resultados de las pruebas de las baterías LiFePO4 indican que no pueden alimentar vehículos eléctricos a temperaturas inferiores a 0°C. Aunque algunos fabricantes afirman que las baterías LiFePO4 tienen una buena retención de capacidad a bajas temperaturas, esto sólo 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 empezar a funcionar.
Mala consistencia: Ya sea desde la preparación de materiales o desde 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 aumenta la dificultad de observabilidad 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 renovable. Son conocidos por ser seguros, eficientes y tener una vida útil muy larga. Comúnmente se utilizan diferentes paquetes de baterías con voltajes de 12 V, 24 V y 48 V como reemplazo de las baterías de plomo-ácido tradicionales.
Para sistemas solares pequeños, el CM Batteries Se recomienda la batería LiFePO4, como las opciones de 12 V/24 V 200 Ah o superiores de 48 V 300 Ah. El CM Batteries Batería 12.8V Es un buen ejemplo porque la caja tiene el mismo tamaño que la batería de plomo-ácido original y se puede reemplazar y actualizar directamente.
Las baterías modulares LiFePO4 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 paralela que también son más estables gracias a un BMS mejorado.
Para los sistemas solares residenciales, el tipo de batería LiFePO4 de “pared eléctrica” es popular debido a su atractivo estético y su capacidad para integrarse en la decoración de interiores.
En áreas donde los cortes de energía son frecuentes, las baterías LiFePO4 son una mejor opción para los sistemas UPS ya que ofrecen un ciclo de vida más largo en comparación con las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, en áreas con raros cortes de energía, las baterías de plomo-ácido pueden ser más rentables.
Para carros de golf, vehículos de baja velocidad, vehículos eléctricos, CCTV y sistemas de seguridad, cámaras solaresEn vehículos recreativos, autocaravanas, caravanas, barcos y aplicaciones marinas, las baterías LiFePO4 son las preferidas 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 una batería 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 lenta.
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 alcanzar 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 la corriente de carga disminuye lentamente por debajo de 0.05 C.
Carga lenta (flotante)
La carga lenta, 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 provocar la acumulación de demasiados iones de litio, provocando la fuga de electrones. El ciclo de carga/descarga recomendado para baterías LiFePO4 es del 10% al 90%.
Parámetros de carga recomendados
El voltaje de carga de las baterías LiFePO4 debe estar entre 14.0 V y 14.6 V a 25 ℃, o entre 3.50 V y 3.65 V por celda. El mejor voltaje de carga es 14.4 V o 3.60 V por celda. Cargar más de 3.65 V por celda puede reducir ligeramente la capacidad pero aumentar la cantidad 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 de flotación, se recomienda configurarlo en 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. La carga 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 autorreparación incorporados que permiten cargar a temperaturas de alrededor de -10 °C. En estos casos, el sistema de gestión de batería (BMS) controla el calentamiento interno de la batería.
Antes conectar baterías LiFePO4 en serie, es importante cargar completamente todas las baterías para garantizar una alta consistencia. Esto ayuda a evitar que una batería alcance niveles de voltaje altos o bajos antes que las demás, lo que puede provocar desequilibrios energéticos. Verificar periódicamente el voltaje de la batería y mantener la diferencia de voltaje dentro de 50 puede extender la vida útil de la batería. También se pueden considerar equilibradores de batería si la diferencia de voltaje es grande.
¿Se puede utilizar BMS de iones de litio para una batería LiFePO4?
La respuesta es un rotundo “NO”. Un sistema de gestión de baterías de iones de litio (BMS) no se puede utilizar directamente con una batería LiFePO4 (fosfato de hierro y litio). Las baterías LiFePO4 se diferencian en sus propiedades y necesidades de carga de otros tipos de baterías de iones de litio, como las de óxido de litio y cobalto (LiCoO2) y las de óxido de litio y manganeso (LiMn2O4).
Baterías LiFePO4 tienen un rango de voltaje y características de carga/descarga diferentes en comparación con otras químicas de iones de litio. Por lo general, tienen una plataforma de voltaje más bajo (alrededor de 3.2 a 3.3 V por celda) en comparación con las plataformas de voltaje más alto (alrededor de 3.6 a 3.7 V por celda) de las baterías de iones de litio. Además, las baterías LiFePO4 tienen una química más estable, un menor riesgo de fuga térmica y un ciclo de vida más largo.
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 celular
- Programación de umbrales de voltaje para que coincidan con las especificaciones de LiFePO4
- Calibración de las tasas de carga/descarga para la seguridad de la batería
- Monitoreo de temperatura en tiempo real
El uso de un BMS de iones de litio 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 el rendimiento, la seguridad y la longevidad óptimos de la batería.
Comparación de baterías LiFePO4 con otras baterías de iones de litio
Las baterías recargables de iones de litio vienen en diferentes tipos, a saber Li-Po (polímero de litio), Iones de litio (iones de litio)y LiFePO4 (fosfato de hierro y litio), y cada uno tiene su propio conjunto de distinciones, como se muestra en la siguiente tabla:
| Característica | Li-Po | Li-ion | LiFePO4 |
| Química | electrolito de polímero | electrolito liquido | Cátodo de fosfato de hierro y litio |
| Densidad de energia | Mayor | Media | Más bajo |
| Seguridad | Menos seguro | Moderadamente seguro | Más seguro |
| Ciclo de vida | Moderada | Media | Mayor |
| Costo | Más bajo | Media | Mayor |
| Usos comunes | Drones, vehículos RC | Computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, 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 energética y su mayor costo limitan algunas aplicaciones.
Las baterías LiFePO4 están revolucionando la industria de las baterías con su excepcional seguridad, larga vida útil y rendimiento confiable. Su adaptabilidad las hace apropiadas para una amplia gama de aplicaciones. Para comprender las características únicas, los requisitos de carga y los beneficios de las baterías LiFePO4, contáctanos para más detalles.
