ลิเที่ยมแบตเตอรี่
แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) หรือที่เรียกว่าแบตเตอรี่ LFP (ที่มี "LFP" หมายถึง "ลิเธียมเฟอร์โรฟอสเฟต") เป็นแบตเตอรี่ชนิดชาร์จใหม่ได้โดยเฉพาะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยใช้ LiFePO4 เป็นวัสดุแคโทดและกราฟคาร์บอน(Graphic carbon) อิเล็กโทรดที่มีตัวรองรับโลหะเป็นขั้วบวก
ปริมาณความจุต่อหน่วยของ LiFePO4 นั้นสูงกว่าของลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2) แต่ความหนาแน่นของพลังงานนั้นน้อยลงเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ข้อเสียเปรียบหลักของ LiFePO4 คือค่าการนำไฟฟ้าต่ำ
ดังนั้นถ้าพิจารณาแคโทดชนิดที่เป็น LiFePO4/C จริงๆ จะมีต้นทุนต่ำ มีความเป็นพิษต่ำ มีประสิทธิภาพดี มีอายุการใช้งานนาน ฯลฯ ด้วยเหตูนี้ แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4 จึงมีการใช้แพร่หลายจำนวนมากในการใช้ยานพาหนะเช่นรถไฟฟ้า แบตเตอรี่สำรองสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปและระบบแบตเตอรี่สำหรับสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่
ประวัติของแบตเตอรี่ลิเที่ยม
LiFePO4 เป็นแร่ธรรมชาติของตระกูลโอลิวิน (triphylite) ใช้เป็นแบตเตอรี่อิเล็กโทรดซึ่งถูกตีพิมพ์ครั้งแรกในวรรณกรรมที่ตีพิมพ์โดย Akshaya Padhi และเพื่อนร่วมงานของกลุ่มวิจัยของ John B. Goodenough ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสในปี 1996 เป็นวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์จใหม่ได้ เนื่องจากต้นทุนต่ำไม่มีพิษความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของเหล็กความคงตัวทางความร้อนที่ดีเยี่ยมคุณลักษณะด้านความปลอดภัยประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าและมีค่าความจุพลังงานเฉพาะสูง (170 mA · h / g หรือ 610 C / g) ทำให้ได้รับการยอมรับจากตลาดอย่างมาก
อุปสรรคสำคัญสำหรับการค้าคือการนำไฟฟ้าต่ำมาก ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการลดขนาดอนุภาคเคลือบอนุภาค LiFePO4 ด้วยวัสดุนำไฟฟ้าเช่นท่อนาโนคาร์บอน หรือทั้งสองอย่าง วิธีนี้พัฒนาโดย Michel Armand และเพื่อนร่วมงานของเขา อีกวิธีหนึ่งของกลุ่มเยิงหมิงเชียงประกอบด้วยการเติมสารลงไปใน LFP ด้วยวัสดุเช่น อลูมิเนียมไนโอเบียมและเซอร์โคเนียม ปัจจุบันผลิตภัณฑ์มีการผลิตจำนวนมากและถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมโดย บริษัท ยักษ์ใหญ่รวมถึงแบรนด์ Black and Decker's DeWalt, Fisker Karma, Daimler AG, Cessna และ BAE Systems
MIT นำเสนอการเคลือบแบบใหม่ที่ช่วยให้ไอออนเคลื่อนย้ายได้ง่ายขึ้นภายในแบตเตอรี่ "Beltway Battery" ใช้ระบบบายพาสที่ช่วยให้ลิเธียมไอออนสามารถเข้าและออกจากขั้วไฟฟ้าด้วยความเร็วที่ดีพอที่จะชาร์จแบตเตอรี่ได้ภายในไม่กี่นาที นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าการเคลือบอนุภาคลิเธียมเหล็กฟอสเฟตในวัสดุที่เป็นแก้วที่เรียกว่าลิเธียมไพโรฟอสเฟตไอออนจะข้ามช่องและเคลื่อนที่เร็วกว่าในแบตเตอรี่ชนิดอื่น แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้จะจัดเก็บและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอะตอมที่มีประจุ (ไอออน) ที่เคลื่อนที่อยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วคือขั้วบวกและขั้วลบ
อัตราการชาร์จและคายประจุของพวกมันถูกจำกัดด้วยความเร็วที่ไอออนเหล่านี้เคลื่อนที่ เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถลดน้ำหนักและขนาดของแบตเตอรี่ได้ เซลล์แบตเตอรี่ต้นแบบขนาดเล็กได้รับการพัฒนาที่สามารถชาร์จได้อย่างเต็มที่ใน 10 ถึง 20 วินาทีเมื่อเทียบกับหกนาทีสำหรับเซลล์แบตเตอรี่มาตรฐาน
ขั้วไฟฟ้าเชิงลบ (ขั้วบวกหรือแอโนด) ทำจากถ่านปิโตรเลียมถูกนำมาใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในช่วงแรกๆ ต่อมาใมีการใช้กราไฟท์ธรรมชาติหรือ กราไฟท์สังเคราะห์แทน
ข้อดีและข้อเสีย
แบตเตอรี่ LiFePO4 ใช้ขบวนการทางเคมีที่ได้รับจากลิเธียมไอออน และแบ่งปันข้อดีและข้อเสียมากมายกับขบวนการทางเคมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอื่น ๆ อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญเคมี
LFP มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าวิธีลิเธียม - อิออนอื่น ๆ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จนิกเกิล (ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอื่น ๆ )
แบตเตอรี่ LiFePO4 มีแรงดันไฟฟ้ายังคงใกล้เคียงกับ 3.2 โวลต์ในระหว่างที่คายประจุจนกระทั่งเซลล์หมด สิ่งนี้จะช่วยให้เซลล์สามารถส่งพลังงานได้เต็มกำลังจนกว่ามันจะถูกปล่อยออกมาและมันสามารถลดความซับซ้อนได้อย่างมากหรือกำจัดความต้องการวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า
เนื่องจากแรงดันเอาต์พุต 3.2 V เมื่อนำมาต่ออนุกรมกันสี่เซลล์จะได้แรงดันไฟฟ้าปกติที่ 12.8 V ซึ่งใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าปกติของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด หกเซลล์ นอกเหนือจากคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ดีของแบตเตอรี่ LFP สิ่งนี้ทำให้ LFP เป็นสิ่งทดแทนที่มีศักยภาพสำหรับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด การใช้งานในลักษณะต่างๆเช่น การใช้งานในยานยนต์และพลังงานแสงอาทิตย์
หากระบบชาร์จถูพัฒนาไม่ให้เกิดความเสียหายกับเซลล์ LFP เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปในการชาร์จ (เกิน 3.6 โวลต์ DC ต่อเซลล์ในขณะที่มีการชาร์จ) การชดเชยแรงดันไฟฟ้าตามอุณหภูมิ ในการประกอบแบตเตอรี่แพ็คเซลล์ของ LFP จะต้องมีความสมดุลกันก่อนที่จะนำมาประกอบเข้าด้วยกัน และต้องมีวงจรระบบการป้องกันเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีเซลล์ใดที่จ่ายกระแสออกมาเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าต่ำกว่า 2.5 V หรือป้องกันความเสียหายรุนแรงจะเกิดขึ้นในกรณีต่างๆ
การใช้ฟอสเฟตในการทำแบตเตอรี่ สามารถหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายของโคบอลต์และความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งความกังวลเกี่ยวกับโคบอลต์ที่เข้าสู่สิ่งแวดล้อมผ่านการกำจัดที่ไม่เหมาะสมรวมทั้งโอกาสที่จะเกิดปัญหาการเกิดความร้อนต่อเนื่อง Themal runaway ของเซลล์ลิเธียมโคบอลต์ได้
LiFePO4 มีขนาดกระแสและกำลังสูงสุดที่สูงกว่า LiCoO2
ความหนาแน่นของพลังงาน (พลังงาน / ปริมาตร) ของแบตเตอรี่ LFP ใหม่นั้นต่ำกว่าแบตเตอรี่ LiCoO2 ใหม่ประมาณ 14% ยิ่งไปกว่านั้น LFP หลายยี่ห้อเช่นเดียวกับเซลล์ภายในแบรนด์ของแบตเตอรี่ LFP มีอัตราการคายประจุต่ำกว่า lead-acid หรือ LiCoO2 เนื่องจากอัตราการคายประจุเป็นเปอร์เซ็นต์ของความจุของแบตเตอรี่ ถ้าต้องการอัตราการคายประจุที่สูงขึ้นก็ต้องเพิ่มโดยการใช้แบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น (มี แอมป์ชั่วโมงที่สูงขึ้น)หรือใช้เซลล์ LFP ที่มี แอมป์ชั่วโมงสูงขึ้นเมื่อต้องการให้มีอัตราการคายประจุสูงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดหรือแบตเตอรี่ LiCoO2 ที่มีความจุเท่ากัน
เซลล์ LiFePO4 มีอัตราการเสื่อมของความจุที่ช้ากว่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดอื่น เช่นโคบอลต์ LiCoO2 หรือ LiMn2O4 แมงกานีส Spinel ลิเธียมไอออนโพลิเมอร์ (LiPo แบตเตอรี่) หรือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน หลังจากหนึ่งปีแบตเตอรี่ LiFePO4 ที่เก็บไว้โดยไม่ใช้งานโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่นพลังงานโดยประมาณเท่ากับเซลล์ LiCoO2 Li-ion
เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานลดลงช้าลงของ LFP เมื่อเปรียบเทียบ LFP กับลิเธียมเคมีชนิดอื่น ๆ เมื่อเก็บไว้ในสถานะที่ชาร์จเต็ม สิ่งนี้ทำให้ LFP เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานสแตนด์บาย
ความปลอดภัย
ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของ เคมีลิเธียมไอออนคือความร้อนและเสถียรภาพทางเคมีซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นวัสดุแคโทดที่ปลอดภัยยิ่งกว่า LiCoO2 และแมงกานีส Spinel ผ่านการละเว้นโคบอลต์โดยมีความต้านทานเชิงลบเมื่อเทียบกับคุณสมบัติความร้อนที่เพิ่มขึ้นซึ่งอาจกระตุ้นให้เกิดความร้อนต่อเนื่อง Thermal runaway พันธะ Fe – P – O นั้นแข็งแกร่งกว่าพันธะ Co – O ดังนั้นเมื่อเ้กิดการลัดวงจร เกิดความร้อนสูงเกินไป ฯลฯ อะตอมออกซิเจนนั้นจะเอาออกได้ยากกว่ามาก ความเสถียรของพลังงานรีดอกซ์นี้ยังช่วยให้การย้ายไอออนอย่างรวดเร็ว
เมื่อลิเธียมย้ายออกจากแคโทดในเซลล์ LiCoO2 ธาตุ CoO2 จะผ่านการขยายตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งมีผลต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างของเซลล์
เมื่อลิเธียมย้ายออกจากแคโทดในเซลล์ของ LiFePO4 สถานะ lithiated และ unlithiated จะมีโครงสร้างคล้ายกันซึ่งหมายความว่าเซลล์ LiFePO4 นั้นมีโครงสร้างที่มั่นคงกว่าเซลล์ LiCoO2
ไม่มีลิเธียมเหลืออยู่ในแคโทดของเซลล์ LiFePO4 ที่มีประจุเต็ม - ใน LiCoO2 เซลล์ประมาณ 50% ยังคงอยู่ในโครงสร้าง แคโทด LiFePO4 มีความยืดหยุ่นสูงในระหว่างการสูญเสียออกซิเจนซึ่งโดยทั่วไปจะส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนในเซลล์ลิเธียมอื่น ๆ
เป็นผลให้เซลล์ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต LiFePO4 นั้นติดไฟได้ยากมากในกรณีที่มีการทำงานผิดพลาด (โดยเฉพาะในช่วงที่มีการชาร์จแบตเตอรี่) แม้ว่าแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้วจะสามารถกระจายพลังงานที่มากเกินไปออกมาเป็นความร้อนได้ ดังนั้นความล้มเหลวของแบตเตอรี่ผ่านการใช้งานในทางที่ผิดยังคงเป็นไปได้ เป็นที่ยอมรับกันทั่วไปว่าแบตเตอรี่ LiFePO4 ไม่สลายตัวที่อุณหภูมิสูง ความแตกต่างระหว่าง LFP และเซลล์แบตเตอรี่ LiPo ที่ใช้กันทั่วไปในงานอดิเรก aeromodelling นั้นมีความโดดเด่นเป็นพิเศษ
Specifications
- Cell voltage
- Minimum discharge voltage = 2.5 V
- Working voltage = 3.0 ~ 3.3 V
- Maximum charge voltage = 3.65 V
- Gravimetric energy density > 90 Wh/kg (> 320 J/g)
- 100% DOD cycle life (number of cycles to 80% of original capacity) = 2,000–7,000
- 10% DOD cycle life (number of cycles to 80% of original capacity) > 10,000
- Sony Fortelion: 74% capacity after 8,000 cycles with 100% DOD
- Cathode composition (weight)
- 90% C-LiFePO4, grade Phos-Dev-12
- 5% carbon EBN-10-10 (superior graphite)
- 5% polyvinylidene fluoride (PVDF)
- Cell configuration
- Carbon-coated aluminium current collector 15
- 1.54 cm2 cathode
- Electrolyte: ethylene carbonate–dimethyl carbonate (EC–DMC) 1–1 lithium perchlorate (LiClO4) 1M
- Anode: graphite or hard carbon with intercalated metallic lithium
- Experimental conditions:
- Room temperature
- Voltage limits: 2.0–3.65 V
- Charge: Up to C/1 rate up to 3.6 V, then constant voltage at 3.6 V until I < C/24
- According to the manufacturer BYD the lithium iron phosphate battery of the electric car e6 is charged at a fast charging station to 80% within 15 minutes, and 100% within 40 minutes.
การใช้งาน
-
การขนส่ง
อัตราการคายประจุที่สูงขึ้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเร่งความเร็ว น้ำหนักที่ลดลงและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นทำให้แบตเตอรี่ชนิดนี้เหมาะสำหรับจักรยานและรถยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ 12V LiFePO4 ยังได้รับความนิยมในฐานะแบตเตอรี่ก้อนที่สองสำหรับคาราวานรถยนต์หรือเรือ
-
โทรคมนาคม
สถานีฐาน (BTS) และศูนย์ควบคุมหลักเป็นแอปพลิเคชั่นหลักในการสื่อสารโทรคมนาคม LFP 5U48V100Ah และ 5U48V150Ah แพ็คโมดูลกำลังจะเปลี่ยนจากแบตเตอรี่ VRLA แบบเดิมมาเป็นแบตเตอรี่ LFP สามารถทำงานได้ในสภาพอากาศที่อบอุ่นด้วยอุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียสโดยผลกระทบทำให้อายุการใช้งานลดลง ดังนั้นผู้ประกอบการโทรคมนาคมจึงเริ่มดำเนินการตั้งแต่ปี 2554 ในประเทศไทย
สวนพลังงานแสงอาทิตย์และระบบไฟเพื่อความปลอดภัยขณะนี้มีการใช้เซลล์ LFP ขนาด 14,500 (AA ขนาด AA) ในบางเส้นทางไฟพลังงานแสงอาทิตย์แทน 1.2 V NiCd / NiMH
LFP แรงดันไฟฟ้าการทำงานที่สูงขึ้น (3.2 V) สามารถให้เซลล์เดียวขับ LED โดยไม่จำเป็นต้องมีวงจรยกระดับ พิกัดความเผื่อที่เพิ่มขึ้นสำหรับการบรรจุมากเกินไป (เทียบกับเซลล์ Li ชนิดอื่น) หมายความว่า LiFePO4 สามารถเชื่อมต่อกับเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์โดยไม่มีวงจรที่ซับซ้อน เซลล์ LFP เดี่ยวยังช่วยลดปัญหาการกัดกร่อนการควบแน่นและสิ่งสกปรกที่เกี่ยวข้องกับตัวยึดแบตเตอรี่และหน้าสัมผัส แบบเซลล์ต่อเซลล์ - การเชื่อมต่อที่ไม่ดีดังกล่าวมักจะทำให้เกิดปัญหากับระบบกลางแจ้งโดยใช้เซลล์ NiMH แบบถอดได้
หลอดความปลอดภัยแบบพาสซีฟพลังงานแสงอาทิตย์แบบอินฟราเรดที่มีความซับซ้อนมากขึ้นของ LFP นั้นก็กำลังเกิดขึ้น (2013) เนื่องจากเซลล์ LFP ขนาด AA มีความจุเพียง 600 mA⋅h (ในขณะที่ LED สว่างของหลอดอาจกินกระแสไฟ 60 mA) อาจใช้เวลาเพียง 10 ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม - หากมีการเรียกใช้เป็นครั้งคราวระบบดังกล่าวอาจทำงานได้แม้ภายใต้สภาวะการชาร์จที่มีแสงแดดต่ำเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของหลอดไฟให้ความมั่นใจหลังจากที่กระแส "ไร้แสง" ที่มีค่าน้อยกว่า 1 mA.โคมไฟพลังงานแสงอาทิตย์ LiFePO4 นั้นสว่างกว่าไฟพลังงานแสงอาทิตย์กลางแจ้งอย่างเห็นได้ชัดและประสิทธิภาพโดยรวมถือว่ามีความน่าเชื่อถือมากกว่า
-
การใช้งานอื่นๆ
บ้านหลายแห่งใช้ Electric Vihecle (EV) รถหรือยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ในรูปแบบแพ็คขนาดใหญ่เช่นชุดดึงรถ ด้วยอัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักที่มีประสิทธิภาพคุณสมบัติด้านความปลอดภัยสูงและความต้านทานต่อสารเคมีต่อการระบายความร้อนทางเคมีมีอุปสรรคเล็กน้อยสำหรับการใช้งานโดย "ผู้สร้าง" มือสมัครเล่นที่บ้าน รถมอเตอร์ไซด์มักจะถูกเปลี่ยนเป็นลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเนื่องจากมีกำลังการดึงสูง