Lithium-železo-fosfátový akumulátor

LiFePO₄ objevil John Goodenough z výzkumné skupiny na Texaské univerzitě v roce 1996 jako vhodný katodový materiál pro dobíjecí lithiové baterie. Brzy vzbudil zájem trhu vzhledem k nízké výrobní ceně, netoxicitě, dostupnosti železa, vynikající tepelné stabilitě, bezpečnostním vlastnostem, dobrému elektrochemickému výkonu a vysoké specifické kapacitě (170 mAh/g).[1][2]

Hlavní bariéra pro širší komerční využití byla nízká vnitřní vodivost. Tento problém byl vyřešen mimo jiné (snížením velikosti částic) potažením LiFePO₄ částic vodivými materiály jako např. uhlíkem a částečně využitím takzvaných dopovaných polovodičů (extrémně čistých).[1] Konkrétně se používají postupy dopování a nauhličování vyvinuté panem Yet-Ming Chiang a jeho spolupracovníky na MIT za použití kationtů materiálů jako hliníku, niobu a zirkonia. Později se ukázalo, že většiny zlepšení vodivosti se dosáhlo přítomností nanoskopických jader odvozených z organického uhlíku.[3] Uvedené materiály jsou vyráběny v podniku A123Systems a jsou dále zpracovávány společnostmi jako Black and Decker, DeWalt, General Motors, Chevrolet Volt, Daimler AG, Cessna a BAE Systems.

V LiFePO₄ bateriích se využívá chemických reakcí s Lithiem a sdílí mnoho vlastností s rozšířenými lithium iontovými bateriemi (akumulátory). Mezi klíčové výhody LiFePO₄ je bezpečnost (odolnost proti tepelným únikům) a schopnost dodávat vysoký proud při špičkových odběrech. Tvrdí se, že nižší náklady jsou hlavním rozdílem, ale v současné době (duben 2009) lze na trhu najít převážně baterie vyráběné v Číně, což se promítá do ceny náklady na dopravu a vysokou poptávkou.

Nevýhody:

1. Uváděná energetická kapacita nové LFP baterie je o něco nižší než u nových LiCoO₂ baterií. Výrobci baterií na celém světě v současné době pracují na nalezení způsobů, jak maximalizovat výkon a energetickou kapacitu, snížit velikost a hmotnost.[4]
2. U zcela nových LFP bylo zjištěno, že předčasně selžou, pokud jsou "hluboko cyklovány" (vybity pod úroveň 33%). Pauza po 20 nabíjecích cyklech je v současné době doporučována některými distributory. (březen 2009)
3. Rychlé nabíjení zkrátí životnost lithium-iontové baterie (včetně LFP) v porovnání s tradičním neustálým dobíjením (trickle charging). (březen 2009)
4. Rezervy lithia jsou odhadovány na 30000 tun v roce 2015 [5] .

Zatímco články využívající LiFePO₄ mají nižší napětí a energetickou hustotu v porovnání s obvyklými LiCoO₂ Lithium-iontovými akumulátory, tato nevýhoda je časem vykompenzována pomalejším snižováním maximální kapacity.[6][7]

• Napětí článku = minimální vybíjecí napětí = 2,8 V. Pracovní napětí = 3,0 V až 3,3 V. Maximální nabíjecí napětí = 3,6 V.
• Volumetrická (objemová) energetická hustota = 220 Wh/L
• Gravimetrická energetická hustota = 90+ Wh/kg
• Cyklů do 80% stavu kapacity při hlubokém vybíjení (na úroveň vybití 100%)= 2000 - 7000 (Počet cyklů do degradace baterie na 80 % její původní udávané kapacity)
• Složení katody (hmotnost)
  • 90 % katoda-LiFePO4
  • 5 % Uhlík EBN-10-10
  • 5 % PVDF
• Konfigurace článku
  • 15 Uhlíkem potažených hliníkových kolektorů
  • 1.54 cm² katoda
  • elektrolyt: EC-DMC 1-1 LiClO4 1M
  • anoda: lithium
• Experimentální podmínky:
  • Pokojová teplota
  • Limitní napětí: 2,5 – 4,2 V
  • Nabíjení: C/4 až k 4,2 V, potom potenciostaticky na 4,2 V až do I < C/24

LiFePO₄ je podstatně bezpečnější katodový materiál než LiCoO₂. Fe-P-O vazba je silnější než Co-O. V případě zkratů, přehřátí a jiných nesprávných způsobech využití, je výrazně těžší odstranit kyslíkové atomy. Tato stabilizace redoxní reakce také napomáhá rychlému přemísťování iontů. K havárii dochází teprve při extrémním přehřátí (800 °C a výše).

Při přemísťování lithia z katody u LiCoO₂ článku, CoO₂ prochází nelineární expanzi, která ovlivňuje strukturální integritu článku. Plně lithiovaný a nelithiovaný stav LiFePO₄ jsou strukturálně podobné, z čehož vyplývá lepší strukturální stabilita LiFePO₄ než mají LiCoO₂.

U plně nabitého akumulátoru s LiFePO₄ nezůstává žádné lithium na katodě — u akumulátoru s LiCoO₂ zůstává okolo 50% v katodě. LiFePO₄ je vysoce houževnatý při ztrátě kyslíku, která ústí v exotermickou reakci u jiných typů lithiových akumulátorů.[2]

Společnost Lithium Technology oznámila v květnu 2007, že vyvinula novou lithium-iontovou baterii vhodnou k pohonu hybridních automobilů. Ve své zprávě tvrdili, že se "... jedná o největší články svého druhu na světě..."[8]. Ačkoliv LFP články mohou být (kapacitně) dostačující pro tyto účely, zůstávají jistá omezení, která hovoří proti takovému využití. Vizte sekci výhody a nevýhody výše.

ThunderSky LiFePO4 akumulátory se stávají populární mezi modeláři, kteří jich používají k elektrickému pohonu, z důvodu relativní dostupnosti a rozšiřující se nabídce.

Tento akumulátor je použit v elektrickém automobilu vyráběném firmou Aptera http://www.engadget.com/2009/02/03/aptera-unveils-full-specs-for-its-flagship-2e/#comments

Tento typ akumulátoru je využit v projektu Jeden laptop na dítě (zkratka anglického One Laptop per Child je OLPC)[9].

Akumulátory v projektu OLPC jsou vyráběny společností BYD v Shenzhenu, Číně. BYD, vyrábějící také automobily, plánuje využití lithium-železo-fosfátových baterií k pohonu svých PHEV, F3DM a F6DM (hybridní automobily, dvojí pohon), které budou prvními komerčními elektrickými automobily s dvojím pohonem na světě. BYD plánuje zahájit sériovou výrobu v roce 2009.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Lithium-železo-fosfátový akumulátor na Wikimedia Commons