Accumulatore litio-ferro-fosfato
| Accumulatore litio-ferro-fosfato | |
|---|---|
| Specifiche accumulatore | |
| Energia/peso | 90-110 Wh/kg |
| Energia/volume | 220 Wh/L |
| Potenza/peso | >3000 W/gg |
| Efficienza di carica/scarica | |
| Energia/prezzo | $0.40 - $2.00 US$/Wh |
| Velocità autoscarica | |
| Tempo di vita | >10 anni |
| Cicli vita | 2000 |
| Tensione nominale cella | 3.2 V |
| Temperature di carica | |
La batteria al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) (in breve chiamata anche "LFP") è un tipo di batteria ricaricabile, nello specifico una batteria agli ioni di litio, che utilizza il litio-ferro-fosfato come materiale catodico.
Indice |
[modifica] Storia
Il LiFePO4 è stato scoperto dal gruppo di ricerca di John Goodenough all'Università del Texas nel 1996, [1] [2] come un materiale catodico per le batterie al litio. Grazie al suo basso costo, alla sua atossicità, all'abbondanza del ferro, alla sua alta stabilità termica, caratteristiche di sicurezza, buone prestazioni elettrochimiche, e alla sua alta capacità specifica (170 mA·h/g) ha guadagnato una posizione nel mercato. [3][4]
Il limite tecnico che, inizialmente, ha relegato questa batteria ad una nicchia di mercato è stata la sua alta resistenza elettrica.
Questo problema, comunque, è stato parzialmente risolto riducendo la dimensione delle particelle utilizzate nella costruzione e, rivestendo le particelle di LiFePO4 con materiali conduttori come il carbonio e, parzialmente ricorrendo al drogaggio dei semiconduttori. È stato poi scoperto che una migliore conduttività veniva creata con nanoparticelle di carbonio create da precursori organici. [5]
Questa tecnologia è attualmente commercializzata da A123Systems e altre aziende.
Molti accumulatori al litio (Li-ion) utilizzati nei prodotti di consumo sono delle batterie al litio ossido di cobalto(LiCoO2). Altre varietà di batterie includono litio-ossido di manganese (LiMn2O4) e litio-ossido di nickel (LiNiO2). Le batterie vengono denominate a seconda del materiale utilizzato per il catodo; gli anodi vengono generalmente costruiti in carbonio e vi è un'ampia scelta nell'elettrolita da utilizzare.
[modifica] Vantaggi e svantaggi
Le batterie LiFePO4 restano sempre delle batterie che utilizzano la chimica del litio, perciò condividono con essa gli stessi vantaggi e svantaggi. I vantaggi chiave delle batterie LiFePO4, quanto comparati con le LiCoO2, sono una maggiore resistenza termica, una maggiore resistenza all'invecchiamento, una più alta corrente di picco e l'utilizzo del ferro che, al contrario del cobalto, ha un minore impatto ambientale.
Gli accumulatori LFP hanno alcune caratteristiche peculiari, che possiamo riassumere in svantaggi e vantaggi.
-- SVANTAGGI --
- L'energia specifica di un accumulatore LFP è inferiore ad un accumulatore LiCoO2, anche se i vari produttori stanno investendo per risolvere questo divario.[6]
- Le batterie, se nuove, possono subire dei malfunzionamenti se scaricate più del 66%, quindi è consigliato un periodo di rodaggio. Questo, grazie all'introduzione di nuovi catodi, non è più necessario.
- Le batterie LFP soffrono durante la ricarica rapida. I nuovi catodi, introdotti da un paio d'anni, permettono correnti di carica pari anche a 5-7 volte la capacita' nominale.
-- VANTAGGI --
- Molte batterie LFP hanno una bassa corrente di auto-scarica.
- La vita media delle LFP, se usate al 90% della capacità nominale, supera abbondantemente i 2000 cicli completi di vita utile.
- Anche sottoposte a grossi carichi, danno una ottima stabilità in tensione.
Ecco un esempio grafico di performance di una cella da 3000mAh sottoposta a carichi di corrente crescenti: http://img402.imageshack.us/img402/7591/lifepo3000ma.jpg
| Tipologie di batterie | Piombo Acido | NiCd | NiMh | LiCo (LiIon o LiPo) | LiMn (LiIon) | LiFePo4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Anno di commercializzazione | 1956 | 1990 | 1990 | 1992 | 1997 | 2004 |
| Sicurezza | Buono | Buono | Buono | Pessimo | Quasi buono | Eccellente |
| Prodotto Green | No | No | Si | No | Si | Si |
| Carica a temperature elevate | Buono | Buono | Mediocre | Quasi buono | Pessimo | Buono |
| Effetto memoria | No | Si | Ni (molto ridotto) | No | No | No |
| Tensione nominale | 2V | 1.25V | 1.25V | 3.7V | 3.7V | 3.3V |
| Densità di potenza (mA/g) | ND | ND | ND | 140-160 | 105-110 | 160 |
| Densità di energia (Wh/Kg) | 30 | 57 | 80 | 167 | 110 | 115 |
| Potenza di Start Up (W/Kg) | 300 | 400 | 600 | 900 | 500 | >2500 |
| Cicli di vita (scarica 1C) | 400 | 500 | 500 | >500 | >500 | >2000 |
| Vita in servizio (uso giornaliero) | 1-2 anni | 3 anni | 3 anni | 2 anni | 2 anni | 5-6 anni |
| Efficienza di carica | 60% | 75% | 70% | 90% | 90% | 95% |
| Tempo di carica (ore) | 8 | 1.5 | 4 | 2-4 | 2-4 | 0,25-1 |
| Autoscarica (mensile) | 20% | 15% | 30% | 10% | 10% | 8% |
[modifica] Sicurezza
LiFePO4 è un materiale intrinsecamente più sicuro rispetto al LiCoO2 e alla controparte al manganese. Il legame Fe-P-O è più forte del legame Co-O così, nel caso cui non vengano rispettate le condizioni operative (corto-circuito, surriscaldamento, ecc.) gli atomi di ossigeno sono più difficili da rimuovere. Questa stabilità della reazione redox, oltre a stabilizzare la cella, aiuta anche il trasferimento dell'energia. Solo le temperature superiori agli 800 °C possono rompere il legame ossigeno, ciò assicura un ampio range sopportabile di temperature rispetto al LiCoO2.[7]
Poiché il litio tende a migrare all'esterno del catodo della cella LiCoO2, lo ione CoO2 causa un'espansione non lineare, che procura danni strutturali alla cella. I vari stati del litio nella formula LiFePO4 sono strutturalmente simili, così le celle LiFePO4 sono strutturalmente più stabili rispetto alla controparte LiCoO2.
Quando totalmente cariche, nel catodo delle celle LiFePO4 non rimane alcuna traccia di litio, mentre nelle celle al cobalto, vi rimane circa il 50%.
[modifica] Utilizzi
Attualmente questa tecnologia è impiegata per la costruzione di accumulatori per automobili ibride.[8].
Grazie alla loro relativa economicità, queste batterie vengono utilizzate anche da hobbysti e nel progetto "un computer per ogni bambino".[9].
Nell'ambito dei trasporti, il loro utilizzo non si ferma alle automobili: biciclette a pedalata assistita, motorini elettrici e, nell'utilizzo professionale, veicoli per le guardie di sicurezza.
Sono presenti in diversi formati: cilindrici (18650, 26650, 38120, 38140, 40160 - dove 18 sta per il diametro in mm e 65 la lunghezza, sempre in mm), o rettangolari, senza però un formato definito.
Le capacità per le celle cilindriche possono andare da 1100mAh (18650) a 16Ah (40160). Le capacità per quelle rettangolari arrivano anche 30/40Ah per cella.
[modifica] Note
- ^ "LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries", A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, Electrochimical Society Meeting Abstracts, 96-1, May, 1996, pp 73
- ^ . "Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries", A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy and J.B. Goodenough, J. Electrochem. Soc., 144, 1188-1194 (1997).".
- ^ «Bigger, Cheaper, Safer Batteries: New material charges up lithium-ion battery work». sciencenews.org
- ^ . "Building safer Li ion batteries". houseofbatteries.com
- ^ . "N. Ravet, A. Abouimrane, and M. Armand, Nat. Mater., 2, 702 ~2003".
- ^ Guo, Y.; Hu, J.; Wan, L. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv Mater 2008, 20, 2878-2887
- ^ video of safety aspects of Lithium Phosphate technology
- ^ «Next Generation Battery Technology Makes Hybrid and Electric Vehicles a Reality». lithiumtech.com
- ^ Laptop With a Mission Widens Its Audience. New York Times. URL consultato in data 4 ottobre 2007. LiFePO4 used in OLPC nytimes.com
[modifica] Voci correlate
- Batteria al litio
- Batteria agli ioni di litio
- Batteria litio-aria
- Batteria ai polimeri di litio
- Lista dei tipi di batterie
- Rapporto potenza-peso
