باتری لیتیوم فسفات آهن یا lithium iron phosphate (LiFePO4) battery که با نام باتری LFP نیز شناخته می‌شود امروزه توانسته است محبوبیت بالایی را به دست آورد. این باتری از شاخه باتری‌های قابل شارژ بوده و تقریباً مانند باتری‌های لیتیوم یونی یا Li-ion است. در این باتری از لیتیوم فسفات آهن LiFePo به عنوان کاتد و از الکترود گرافیت کربن graphitic carbon electrode به عنوان آند استفاده می‌شود.
در واکنش شارژ، یون‌های لیتیوم از آند به کاتد حرکت می‌کنند و با یون‌های آهن در کاتد ترکیب می‌شوند تا LiFePO4 را تشکیل دهند. در واکنش دشارژ، یون‌های لیتیوم از کاتد به آند حرکت می‌کنند و با یون‌های کربن در آند ترکیب می‌شوند تا الکترون‌ها را آزاد کنند.
این واکنش‌ها به صورت زیر نشان داده می‌شوند:
شارژ:
LiC6 + Fe2+ → LiFePO4 + C6
دشارژ:
LiFePO4 + C6 → LiC6 + Fe2+
باتری‌های LFP معمولاً در دستگاه‌های با توان پایین تا متوسط با نرخ مصرف جریان پایین استفاده می‌شوند. این نوع باتری‌ها به دلیل ایمنی بالا، طول عمر طولانی و قیمت مناسب، برای این دسته از دستگاه‌ها گزینه مناسبی هستند. از جمله کاربردهای باتری‌های LFP می‌توان به مواردی نظیر خودروهای برقی، لوازم خانگی و تجهیزات ذخیره انرژی اشاره کرد.
باتری‌های لیتیوم فسفات آهن در خودروهای برقی به دلیل ایمنی بالا و طول عمر طولانی، به عنوان یکی از گزینه‌های اصلی برای استفاده در نظر گرفته می‌شوند. این نوع باتری‌ها همچنین در لوازم خانگی مانند جاروبرقی‌های رباتیک، ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی استفاده می‌شوند. باتری‌های LFP همچنین در سیستم‌های ذخیره انرژی مانند سیستم‌های پشتیبان برق و سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند.
در دستگاه‌های پرقدرت با نرخ مصرف جریان بالا، معمولاً از باتری‌های لیتیوم یونی با ظرفیت بالا و نرخ تخلیه بالا استفاده می‌شود. این نوع باتری‌ها مانند باتری‌های لیتیوم یونیوم کبالت (LiCoO2) و لیتیوم یونیوم نیکل منگنز کوبالت (NMC) می‌توانند انرژی مورد نیاز دستگاه‌های پرقدرت را تأمین کنند.
مشخصات باتری‌های LFP
- جریان تخلیه بالا: باتری های LFP می توانند جریان های تخلیه بالایی را بدون افت قابل توجهی در ظرفیت تحمل کنند. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به جریان های تخلیه بالا دارند، مانند وسایل نقلیه برقی، مناسب می کند.
- خطر آتش سوزی و انفجار بسیار پایین: باتری های LFP به دلیل استفاده از فسفات آهن به عنوان کاتد، ایمنی بالایی دارند. فسفات آهن نسبت به سایر مواد کاتد، کمتر مستعد واکنش های شیمیایی ناخواسته است که می تواند منجر به آتش سوزی یا انفجار شود.
- طول عمر بالا: باتری های LFP می توانند تا 10000 چرخه شارژ را بدون افت قابل توجهی در ظرفیت تحمل کنند. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به عمر طولانی دارند، مانند سیستم های ذخیره انرژی، مناسب می کند.
- ظرفیت کمتر: باتری های LFP دارای ظرفیت کمتری نسبت به سایر انواع باتری های لیتیوم یون هستند. این امر به دلیل استفاده از فسفات آهن به عنوان کاتد است که نسبت به سایر مواد کاتد، انرژی کمتری در هر واحد وزن ذخیره می کند.
- در مورد ولتاژ، LFP Cell ها دارای ولتاژ نرمال 3.2 ولت هستند. حد بالای شارژ آنها 3.6-3.8 ولت است و حد پایین ولتاژ آنها 2.8 ولت است. جریان مصرفی در این ولتاژ باید توسط مدارهای محافظ قطع شود تا آسیبی به باتری وارد نشود.
باتری های لیتیوم فسفات آهن (LFP) دارای چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتری نسبت به سایر انواع باتری ها، از جمله باتری های سیلد اسید، نیکل کادمیوم و نیکل متال هیدرید هستند. در جدول زیر، چگالی ذخیره سازی انرژی باتری های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است:
| نوع باتری | چگالی ذخیره سازی انرژی (وات بر کیلوگرم) |
|---|---|
| باتری لیتیوم فسفات آهن (LFP) | 120 |
| باتری سیلد اسید | 35 |
| باتری نیکل کادمیوم | 40 |
| باتری نیکل متال هیدرید | 80 |
چگالی ذخیره سازی انرژی، مقدار انرژی ذخیره شده در یک واحد وزن باتری را نشان می دهد. هرچه چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر باشد، باتری می تواند انرژی بیشتری را در یک واحد وزن ذخیره کند.
چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر، مزایای مختلفی را به همراه دارد، از جمله:
- وزن کمتر باتری: باتری هایی با چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر، در یک واحد وزن انرژی بیشتری را ذخیره می کنند. این امر باعث کاهش وزن باتری می شود که می تواند برای کاربردهایی که وزن مهم است، مانند وسایل نقلیه برقی، مفید باشد.
- حجم کمتر باتری: باتری هایی با چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر، در یک واحد حجم انرژی بیشتری را ذخیره می کنند. این امر باعث کاهش حجم باتری می شود که می تواند برای کاربردهایی که فضای محدود است، مانند وسایل نقلیه برقی، مفید باشد.
- برد بیشتر وسایل نقلیه برقی: وسایل نقلیه برقی با باتری هایی با چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر، می توانند برد بیشتری را طی کنند.
باتری های LFP به دلیل چگالی ذخیره سازی انرژی بالاتر، گزینه مناسبی برای کاربردهایی هستند که نیاز به وزن و حجم کمتر یا برد بیشتر دارند. این کاربردها شامل وسایل نقلیه برقی، لوازم خانگی و سیستم های ذخیره انرژی می شوند.
| چگالی انرژی | ۱۴۰ تا ۳۳۰ وات ساعت بر لیتر |
| انرژی ویژه | ۹۰ تا ۱۶۰ وات ساعت بر کیلوگرم |
| نسبت قدرت به وزن | ۲۵۰ تا ۶۷۰ وات بر کیلوگرم |
| طول عمر | ۵ تا ۱۵ سال |
| عمر چرخه | > ۲۰۰۰ سیکل تا ۱۰۰۰۰ |
| ولتاژ کاری سلول | ۳.۲ تا ۳.۳ ولت |
| زمان شارژ | ۱ تا ۴ ساعت بسته به شارژ |
| محدوده دمای کارکرد | ۲۰- تا ۶۰ درجه سانتیگراد |
| نرخ خود تخلیه | ۱ تا ۳% در ماه |
| حداقل ولتاژ دشارژ | ۲.۵ ولت |
| عمق دشارژ | ۸۰ درصد، ۹۸ درصد نظری |
| ایمنی | خطر کم فرار حرارتی |
| هزینه | ۱۶۰ تا ۸۰۰ پوند به ازای هر کیلووات ساعت |
| سمیت | غیر سمی |
| تاثیرات زیست محیطی | استفاده از کربن کم |
| پایداری ظرفیت | افت حداقل |
| دقت | وضعیت شارژ خوب |
| عملکرد در دمای بالا | کمتر از سایر مواد شیمیایی باتری‌های لیتیومی تحت تأثیر قرار می‌گیرد |
| عملکرد در دمای پایین | ظرفیت در دمای کمتر از ۲۰- درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد |
تفاوت باتری‌های لیتیوم یونی و LFP
باتری لیتیومی (لیتیویم-یونی) و LFP هر دو از انواع باتری‌های قابل شارژ هستند که از یون‌های لیتیوم برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند. با این حال، تفاوت‌های مهمی بین این دو نوع باتری وجود دارد. در جدول زیر، تفاوت‌های اصلی بین باتری‌های لیتیوم یونی و LFP آورده شده است:
| ویژگی | باتری لیتیوم یونی | باتری LFP |
|---|---|---|
| نوع کاتد | نیکل، منگنز، کبالت (NMC) یا نیکل، کوبالت، آلومینیوم (NCA) | فسفات آهن (FePO4) |
| چگالی انرژی | 150-250 وات بر کیلوگرم | 120 وات بر کیلوگرم |
| طول عمر | 3000-5000 چرخه شارژ | 10000 چرخه شارژ |
| ایمنی | نسبتاً کم | نسبتاً زیاد |
| قیمت | نسبتاً زیاد | نسبتاً ارزان |
کاتد
کاتد یکی از دو الکترود اصلی در یک سلول باتری است. کاتد جایی است که یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ باتری جمع می‌شوند و در هنگام دشارژ باتری آزاد می‌شوند.
در باتری‌های لیتیوم یونی، کاتد معمولاً از یک ترکیب نیکل، منگنز و کبالت (NMC) یا نیکل، کوبالت و آلومینیوم (NCA) ساخته می‌شود. این ترکیبات چگالی انرژی بالایی دارند، اما ایمنی کمتری دارند.
در باتری‌های LFP، کاتد از فسفات آهن (FePO4) ساخته می‌شود. فسفات آهن چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به NMC یا NCA دارد، اما ایمنی بالاتری دارد.
چگالی انرژی
چگالی انرژی مقدار انرژی ذخیره شده در یک واحد وزن باتری را نشان می‌دهد. هرچه چگالی انرژی بالاتر باشد، باتری می‌تواند انرژی بیشتری را در یک واحد وزن ذخیره کند.
باتری‌های لیتیوم یونی چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های LFP دارند. این امر باعث می‌شود که باتری‌های لیتیوم یونی برای کاربردهایی که وزن و حجم مهم هستند، مانند وسایل نقلیه برقی، مناسب‌تر باشند.
طول عمر
طول عمر تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژی است که یک باتری می‌تواند قبل از اینکه ظرفیت خود را به نصف کاهش دهد، تحمل کند.
باتری‌های LFP طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی دارند. این امر باعث می‌شود که باتری‌های LFP برای کاربردهایی که نیاز به عمر طولانی دارند، مانند سیستم‌های ذخیره انرژی، مناسب‌تر باشند.
ایمنی
ایمنی احتمال آتش‌سوزی یا انفجار باتری را نشان می‌دهد.
باتری‌های LFP نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی ایمن‌تر هستند. این امر به دلیل استفاده از فسفات آهن به عنوان کاتد است که نسبت به سایر مواد کاتد، کمتر مستعد واکنش‌های شیمیایی ناخواسته است که می‌تواند منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شود.
قیمت
قیمت باتری‌های لیتیوم یونی بیشتر از باتری‌های LFP است. این امر به دلیل استفاده از مواد گران‌قیمت‌تر در ساخت باتری‌های لیتیوم یونی است.
تاریخچه باتری لیتیوم فسفات آهن یا LFP
تاریخچه باتری‌های لیتیوم فسفات آهن (LFP) به سال 1996 باز می‌گردد. در آن سال، گروهی از محققان دانشگاه تگزاس در آستین، آمریکا، پتانسیل استفاده از فسفات آهن به عنوان کاتد در باتری‌های لیتیوم یون را بررسی کردند. این محققان دریافتند که فسفات آهن چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به سایر مواد کاتد، مانند نیکل، منگنز و کبالت (NMC) یا نیکل، کوبالت و آلومینیوم (NCA) دارد. با این حال، فسفات آهن ایمنی بالاتری دارد و همچنین ارزان‌تر است.
در سال 2003، شرکت چینی BYD اولین باتری LFP را تولید کرد. این باتری‌ها در ابتدا در وسایل نقلیه برقی کوچک، مانند خودروهای برقی دوچرخه سواری، استفاده می‌شدند. در سال‌های اخیر، باتری‌های LFP به سرعت در حال محبوب شدن هستند. این باتری‌ها به دلیل ایمنی بالا، طول عمر طولانی و قیمت مناسب، گزینه مناسبی برای کاربردهای مختلفی، مانند وسایل نقلیه برقی، لوازم خانگی و سیستم‌های ذخیره انرژی، هستند.
در سال 2023، شرکت Tesla اعلام کرد که قصد دارد از باتری‌های LFP در خودروهای برقی خود استفاده کند. این شرکت همچنین قصد دارد ظرفیت تولید باتری‌های LFP خود را تا سال 2025 به 100 گیگاوات ساعت در سال افزایش دهد. با توجه به مزایای باتری‌های LFP، انتظار می‌رود که این باتری‌ها در سال‌های آینده به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گیرند.
ایلان ماسک، مدیرعامل شرکت تسلا، برای اولین بار در تاریخ 28 ژوئن 2022، حرکت به سمت باتری‌های LFP را اعلام کرد. ماسک در این تاریخ در یک کنفرانس خبری گفت که تسلا قصد دارد از باتری‌های LFP در مدل‌های پایه خودروهای برقی خود استفاده کند. این باتری‌ها ایمنی بالاتری نسبت به سایر انواع باتری‌های لیتیوم یونی دارند و همچنین ارزان‌تر هستند.
ماسک گفت که تسلا قصد دارد ظرفیت تولید باتری‌های LFP خود را تا سال 2025 به 100 گیگاوات ساعت در سال افزایش دهد. این میزان ظرفیت کافی برای تامین نیازهای مدل‌های پایه خودروهای برقی تسلا است. تصمیم تسلا برای استفاده از باتری‌های LFP در مدل‌های پایه خودروهای برقی خود، یک تغییر مهم در استراتژی این شرکت است. تسلا در گذشته از باتری‌های NCA در خودروهای برقی خود استفاده می‌کرد. باتری‌های NCA دارای چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های LFP هستند، اما ایمنی کمتری دارند و گران‌تر هستند.
با استفاده از باتری‌های LFP، تسلا می‌تواند خودروهای برقی مقرون به صرفه‌تری را تولید کند که ایمنی بالاتری نیز دارند. این امر می‌تواند به تسلا کمک کند تا سهم خود در بازار خودروهای برقی را افزایش دهد. در سال‌های اخیر، سایر شرکت‌های خودروسازی نیز به سمت استفاده از باتری‌های LFP حرکت کرده‌اند. این شرکت‌ها شامل شرکت‌های چینی BYD و Geely هستند.
چشم انداز بازار باتری‌های LFP
سهم باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) در بازار جهانی، در سال ۲۰۲۲ به ۱۲.۵ میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی می‌شود که بازار باتری‌های LFP تا سال ۲۰۳۰ به ۵۲.۷ میلیارد دلار با رشد ۱۹.۷ درصد از سال ۲۰۲۲ تا ۲۰۳۰ برسد. رشد بازار باتری‌های LFP به دلیل چندین عامل است، از جمله افزایش تقاضا برای وسایل نقلیه برقی (EV)، کاهش قیمت باتری‌های LFP و افزایش تقاضا برای سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS). انتظار می‌رود که بازار باتری‌های LFP در سال‌های آینده به رشد خود ادامه دهد. این رشد به دلیل افزایش تقاضا برای وسایل نقلیه برقی، سیستم‌های ذخیره انرژی و سایر کاربردها است.
در سال‌های اخیر، تقاضا برای باتری‌های LFP به ویژه در صنعت خودرو افزایش یافته است. باتری‌های LFP گزینه مناسبی برای خودروهای برقی هستند زیرا ایمنی بالایی دارند و می‌توانند در شرایط سخت عملکرد خوبی داشته باشند. پیشرفت‌های نوآورانه در مواد سبک وزن نیز می‌تواند به رشد صنعت باتری‌های LFP کمک کند. این پیشرفت‌ها می‌تواند باعث کاهش وزن باتری‌های LFP شود که می‌تواند به بهبود عملکرد وسایل نقلیه برقی و سایر کاربردها کمک کند.
هزینه باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) نسبت به باتری‌های اسید سرب بالا است. این امر به دلیل استفاده از مواد گران‌تر در ساخت باتری‌های LFP است. در پنج سال گذشته، به دلیل افزایش حجم تولید باتری‌های LFP، قیمت آنها به حدود ۱۵ درصد در سال کاهش یافته است. این کاهش قیمت به دلیل عوامل مختلفی، از جمله افزایش بهره‌وری تولید، کاهش هزینه مواد اولیه و بهبود فناوری تولید است. با این حال، قیمت‌ها هنوز در مقایسه با سایر باتری‌های معمولی بالاست. این امر فروش باتری‌های LFP و رشد بازار آن را در زمان کنونی محدود می‌کند.
برخی از عواملی که می‌توانند به کاهش قیمت باتری‌های LFP کمک کنند عبارتند از افزایش بیشتر حجم تولید، کاهش قیمت مواد اولیه و بهبود فناوری تولید. اگر این عوامل محقق شوند، می‌توان انتظار داشت که قیمت باتری‌های LFP در آینده کاهش یابد. این امر می‌تواند به افزایش فروش باتری‌های LFP و رشد بازار آن کمک کند.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 17 دی 1402
