El fosfato de hierro y litio (FHL) tiene la fórmula química LiFePO₄. Su factor de seguridad reside en su singular estructura de olivino, que actúa como una robusta armadura para los iones de litio.
La estructura determina el destino
1. Estructura cristalina: una vía segura para los iones de litio
Al microscopio, los cristales de LFP presentan forma de olivino (estructura hexagonal). Dentro de esta estructura:
Los tetraedros de PO₄³⁻ crean una estructura resistente, similar a las barras de acero de los edificios. Esta estructura resiste bien, incluso a altas temperaturas.
Los iones Fe²⁺ residen en los intersticios del esqueleto, estabilizando la estructura;
Los iones de litio se mueven por las vías, insertándose y desinsertándose durante la carga y la descarga. Esto mantiene un camino libre y evita cualquier desviación.
Esta estructura es mucho más duradera que la de los materiales ternarios. Cuando la batería se somete a impactos o altas temperaturas, el esqueleto de PO₄³⁻ se mantiene resistente. Esto evita que el oxígeno escape, lo cual puede provocar la combustión en los materiales ternarios. Experimentos demuestran que el LFP se descompone a más de 500 °C. En cambio, los materiales ternarios como el NCM811 empiezan a descomponerse a 200 °C.
2. Principio de carga y descarga: Suave movimiento de iones
La carga y descarga de LFP se asemeja a un suave movimiento iónico. Esto difiere de las intensas reacciones observadas en los materiales ternarios.
Durante la carga, el Li⁺ sale del electrodo positivo (LiFePO₄). Se desplaza a través del electrolito hasta el electrodo negativo (grafito) y forma LiC₆.
Durante la descarga, el Li⁺ se desplaza del electrodo negativo al positivo. Simultáneamente, los electrones viajan por el circuito externo para generar corriente.
La reacción redox entre Fe²⁺ y Fe³⁺ es suave. A diferencia de las reacciones violentas en metales de transición como el níquel y el cobalto, estos metales, presentes en materiales ternarios, liberan mucho calor. El LFP presenta cambios mínimos de temperatura durante la carga y la descarga, generalmente inferiores a 20 °C.
Introducción al rendimiento: ventajas y desventajas del LFP
Ninguna batería es perfecta. Las características de rendimiento de LFP se pueden resumir en "dos fortalezas y dos debilidades". Comprender estas características es crucial para comprender sus escenarios de aplicación.
1. Dos ventajas fundamentales: seguridad y vida útil
Máxima seguridad:
El LFP tiene una ventaja única: no libera oxígeno. Además, resiste altas temperaturas. Los materiales ternarios liberan oxígeno al calentarse, lo que facilita la combustión. En cambio, el LFP se descompone en sustancias no inflamables como Fe₂O₃ y P₂O₅. Esta es también la clave de su resistencia a la ignición durante las pruebas de penetración y compresión de la aguja.
Increíble ciclo de vida:
La estructura de olivino de las baterías LFP cambia de volumen tan solo 3,71 TP₃T durante la carga y la descarga. En cambio, los materiales ternarios cambian de 7 a 101 TP₃T. Esto se traduce en una estabilidad estructural muy estable. Las baterías LFP convencionales duran entre 3000 y 5000 ciclos. Sin embargo, las baterías LFP diseñadas para almacenamiento de energía pueden superar los 10 000 ciclos. Si se cargan y descargan a diario, esto equivale a unos 27 años de uso.
2. Dos deficiencias importantes: densidad energética y rendimiento a baja temperatura
Baja densidad energética:
La densidad energética teórica de las baterías LFP es de 170 mAh/g. Sin embargo, las baterías de producción en masa suelen tener una densidad energética de 150-200 Wh/kg. En cambio, los materiales ternarios como el NCM811 pueden alcanzar entre 250 y 300 Wh/kg. Las baterías LFP tienen una autonomía menor para el mismo peso. Por ejemplo, un vehículo LFP con el mismo volumen de batería podría alcanzar los 500 km, mientras que un vehículo con material ternario puede recorrer 600 km.
Pérdida significativa de potencia a bajas temperaturas:
Por debajo de 0 °C, la conductividad iónica de las LFP disminuye, lo que afecta la eficiencia y la capacidad de carga. A -20 °C, la capacidad de retención de las LFP es de aproximadamente 601 TP3T, mientras que los materiales ternarios pueden alcanzar 751 TP3T. Por esta razón, los usuarios del norte de China prefieren las baterías ternarias.
Avance tecnológico: ¿Cómo hacer que la LFP “fortalezca sus fortalezas y supere sus debilidades”?
1. Modificación de materiales: aceleración de la producción de LFP
Nanoidización y recubrimiento de carbono:
La fabricación de partículas LFP a escala nanométrica (<100 nm) aumenta su superficie, lo que permite una migración más rápida de iones de litio. Recubrir la superficie con una capa de carbono (de 2 a 5 nm de espesor) aumenta la conductividad 1000 veces. El LFP modificado mejora el rendimiento de 1 °C a 5 °C (carga completa en 12 minutos).
Dopaje de iones metálicos:
El dopaje con iones metálicos como Mg²⁺ y Nb³⁺ mejora la estructura cristalina. También optimiza el rendimiento a bajas temperaturas. El "LFP de baja temperatura" de CATL alcanza una capacidad de retención de 75% a -20 °C, acercándose al nivel de los materiales ternarios.
2. Innovación estructural: la “magia espacial” de la batería Blade de BYD
Las baterías LFP tradicionales utilizan módulos cuadrados, lo que resulta en una tasa de utilización del espacio de tan solo 60%. La batería Blade de BYD utiliza celdas largas y delgadas de 1,5 metros de largo y 10 centímetros de ancho. Estas celdas encajan en el paquete de baterías como una "cuchilla". Este diseño aumenta la utilización del espacio a más de 90%.
Este diseño permite que el sistema LFP alcance una densidad energética superior a 180 Wh/kg. Además, ofrece una autonomía de 600 km y es resistente a pinchazos. En 2023, el BYD Han EV con baterías Blade obtuvo la calificación de "cero combustión espontánea" en la prueba de choque C-NCAP.
3. Integración de sistemas: el «arte de la sustracción» de la tecnología CTP
La tecnología CTP de CATL elimina la carcasa del módulo en los paquetes de baterías. Esto permite compactar las celdas LFP. Una placa refrigerada por agua controla la temperatura. Este diseño:
Reduce el peso en 15% y aumenta la densidad energética en 10%;
Reduce costes en 10% (eliminando materiales del módulo y costes de montaje).
Los paquetes de baterías LFP con CTP son comunes en estaciones de almacenamiento de energía, como la estación base 5G de Huawei, y en vehículos comerciales, como los autobuses eléctricos Yutong.
Mapa de aplicaciones: ¿Dónde está el “campo local” de la LFP?
Con sus ventajas de seguridad y costo, LFP se ha convertido en una necesidad en los siguientes escenarios:
1. Vehículos de nueva energía: un contraataque desde la gama baja a la gama alta
**Modelos de entrada:** El Wuling Hongguang MINI EV incorpora baterías LFP. Esto reduce los costos en 151 TP3T, lo que reduce el precio a 30.000 yuanes.
**Modelos de gama media-alta:** El BYD Han EV y el Xiaopeng P5 utilizan versiones Blade Battery/LFP. Ofrecen una autonomía de hasta 600 km. Esta configuración equilibra seguridad y autonomía.
Vehículos comerciales: Los autobuses y vehículos logísticos se cargan y descargan de 2 a 3 veces al día. La larga vida útil de la batería de plomo-ácido (10 años/500.000 kilómetros) puede reducir los costes totales del ciclo de vida.
2. Centrales de almacenamiento de energía: el “hogar absoluto” de LFP
El 70% de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía del mundo utilizan baterías LFP por tres razones:
Larga vida útil (10.000 ciclos), sin necesidad de reemplazo durante 20 años;
Bajo costo (0,5 yuanes/Wh), 30% más bajo que los materiales ternarios;
La alta seguridad previene incendios en centrales eléctricas de almacenamiento de energía. El incendio de Texas de 2021 fue causado por baterías ternarias.
Los proyectos de almacenamiento de energía fotovoltaica + LFP de China, como la central de 100 MW en la prefectura de Haixi, Qinghai, han reducido los costos. Actualmente, el precio por kilovatio-hora es de tan solo 0,3 yuanes. Esto la hace más económica que la generación de energía a carbón.
3. Vehículos de dos ruedas y aplicaciones especiales
Bicicletas eléctricas: Los modelos de gama alta de Yadea y Aima utilizan baterías LFP. Estas baterías conservan 80% de su capacidad después de 500 cargas. Esto significa que duran tres veces más que las baterías de plomo-ácido.
Buques y equipos subterráneos: En espacios reducidos como submarinos y minas de carbón, la naturaleza no explosiva del LFP es esencial. El LFP se ha utilizado como fuente de energía de emergencia para la sonda de aguas profundas china "Struggler".
La cuota de mercado de LFP pasó de menos de 10% en 2015 a más de 50% en 2023. Este crecimiento se debe al enfoque de la nueva industria energética en equilibrar la seguridad y el coste. Los vehículos eléctricos se están convirtiendo en "necesidades del hogar", no solo en "herramientas de experiencia". El almacenamiento de energía está pasando de ser una "energía complementaria" a un pilar de la red eléctrica. LFP ofrece estabilidad y fiabilidad como beneficios clave.
En el futuro, mejores electrolitos de estado sólido y el dopaje de iones de sodio podrían aumentar la densidad energética y el rendimiento de las baterías LFP a bajas temperaturas. Independientemente de sus cambios, su principio fundamental de "seguridad" le permitirá mantener su éxito en el competitivo mercado de baterías de energía.
