Il litio ferro fosfato (LFP) ha la formula chimica LiFePO₄. Il suo gene di sicurezza risiede nella sua esclusiva "struttura olivinica", simile a una robusta armatura per gli ioni di litio.
La struttura determina il destino
1. Struttura cristallina: un “percorso sicuro” per gli ioni di litio
Al microscopio, i cristalli LFP appaiono a forma di olivina (struttura esagonale). All'interno di questa struttura:
I tetraedri PO₄³⁻ creano una struttura robusta, simile alle barre d'acciaio degli edifici. Questa struttura resiste bene, anche alle alte temperature.
Gli ioni Fe²⁺ risiedono negli interstizi dello scheletro, stabilizzandone la struttura;
Gli ioni di litio si muovono lungo i percorsi, inserendosi e disinserendosi durante la carica e la scarica. In questo modo, il percorso rimane libero e si evita qualsiasi deviazione.
Questa struttura è molto più resistente dei materiali ternari. Quando la batteria subisce urti o temperature elevate, lo scheletro di PO₄³⁻ rimane resistente. Questo impedisce la fuoriuscita di ossigeno, che può causare combustione nei materiali ternari. Gli esperimenti dimostrano che l'LFP si decompone a oltre 500 °C. Al contrario, i materiali ternari come l'NCM811 iniziano a decomporsi a 200 °C.
2. Principio di carica e scarica: delicato "movimento ionico"
La carica e la scarica dell'LFP sono simili a un fluido "movimento ionico". Sono diverse dalle intense reazioni osservate nei materiali ternari.
Durante la carica, il Li⁺ lascia l'elettrodo positivo (LiFePO₄). Attraversando l'elettrolita, si sposta verso l'elettrodo negativo (grafite) e forma LiC₆.
Durante la scarica, Li⁺ si sposta dall'elettrodo negativo a quello positivo. Allo stesso tempo, gli elettroni attraversano il circuito esterno per creare corrente.
La reazione redox tra Fe²⁺ e Fe³⁺ è moderata. A differenza delle reazioni violente nei metalli di transizione come nichel e cobalto, che nei materiali ternari rilasciano molto calore. L'LFP presenta variazioni di temperatura minime durante la carica e la scarica, solitamente inferiori a 20 °C.
Introduzione alle prestazioni: vantaggi e svantaggi dell'LFP
Nessuna batteria è perfetta. Le caratteristiche prestazionali della batteria al litio possono essere riassunte come "due punti di forza e due punti deboli". Comprendere queste caratteristiche è fondamentale per comprenderne gli scenari applicativi.
1. Due vantaggi fondamentali: sicurezza e durata
Massima sicurezza:
L'LFP ha un vantaggio unico: non rilascia ossigeno. Inoltre, può resistere alle alte temperature. I materiali ternari rilasciano ossigeno quando riscaldati, favorendo la combustione. Al contrario, l'LFP si scompone in sostanze non infiammabili come Fe₂O₃ e P₂O₅. Questo è anche il fattore chiave della sua resistenza all'accensione durante i test di penetrazione e compressione con ago.
Incredibile ciclo di vita:
La struttura olivina delle batterie LFP cambia volume di soli 3,71 TP3T durante la carica e la scarica. Al contrario, i materiali ternari cambiano volume di 7-10 TP3T. Questo porta a una stabilità strutturale molto stabile. Le batterie LFP convenzionali durano dai 3.000 ai 5.000 cicli. Tuttavia, le batterie LFP progettate per l'accumulo di energia possono superare i 10.000 cicli. Se caricate e scaricate quotidianamente, si tratta di circa 27 anni di utilizzo.
2. Due carenze significative: densità energetica e prestazioni a bassa temperatura
Bassa densità energetica:
La densità energetica teorica delle batterie LFP è di 170 mAh/g. Tuttavia, le batterie prodotte in serie hanno solitamente una densità energetica di 150-200 Wh/kg. Al contrario, i materiali ternari come l'NCM811 possono raggiungere 250-300 Wh/kg. Le batterie LFP hanno un'autonomia inferiore a parità di peso. Ad esempio, un veicolo LFP con lo stesso volume di batteria potrebbe raggiungere i 500 km, mentre un veicolo con materiali ternari può percorrere 600 km.
Significativa “perdita di potenza” a basse temperature:
Al di sotto di 0 °C, la conduttività ionica delle batterie alcaline (LFP) diminuisce, compromettendo l'efficienza di carica e la capacità. A -20 °C, la capacità di ritenzione delle batterie alcaline (LFP) è di circa 601 TP3T, mentre i materiali ternari possono raggiungere 751 TP3T. Per questo motivo, gli utenti della Cina settentrionale preferiscono le batterie ternarie.
Svolta tecnologica: come far sì che la LFP “rafforzi i suoi punti di forza e superi i suoi punti deboli”?
1. Modifica del materiale: accelerazione della produzione LFP
Nanoidizzazione e rivestimento in carbonio:
Rendere le particelle LFP su scala nanometrica (<100 nm) ne aumenta l'area superficiale, consentendo una migrazione più rapida degli ioni di litio. Rivestire la superficie con uno strato di carbonio (spessore 2-5 nm) aumenta la conduttività di 1.000 volte. L'LFP modificato migliora le prestazioni di velocità da 1C a 5C (carica completa in 12 minuti).
Drogaggio con ioni metallici:
Il drogaggio con ioni metallici come Mg²⁺ e Nb³⁺ migliora la struttura cristallina. Aumenta anche le prestazioni a basse temperature. Il "LFP a bassa temperatura" di CATL raggiunge una ritenzione di capacità di 75% a -20 °C, avvicinandosi al livello dei materiali ternari.
2. Innovazione strutturale: la “magia spaziale” della batteria Blade di BYD
Le batterie LFP tradizionali utilizzano moduli quadrati, con un tasso di utilizzo dello spazio di soli 601 TP3T. La batteria Blade di BYD utilizza celle lunghe e sottili, lunghe 1,5 metri e larghe 10 centimetri. Queste celle si inseriscono nel pacco batteria come una "lama". Questo design aumenta l'utilizzo dello spazio a oltre 901 TP3T.
Questo design consente al sistema LFP di raggiungere una densità energetica superiore a 180 Wh/kg. Offre inoltre un'autonomia di 600 km e rimane resistente alle forature. Nel 2023, la BYD Han EV con batterie Blade ha ottenuto la valutazione "zero combustione spontanea" nel crash test C-NCAP.
3. Integrazione di sistema: “L’arte della sottrazione” della tecnologia CTP
La tecnologia CTP di CATL rimuove l'involucro del modulo nei pacchi batteria. Questo consente di assemblare le celle LFP in modo compatto. Una piastra raffreddata ad acqua gestisce la temperatura. Questo design:
Riduce il peso di 15% e aumenta la densità energetica di 10%;
Riduce i costi di 10% (eliminando i materiali dei moduli e i costi di assemblaggio).
I pacchi batteria LFP con CTP sono comuni nelle stazioni di accumulo di energia, come la stazione base 5G di Huawei, e nei veicoli commerciali, come gli autobus elettrici Yutong.
Mappa delle applicazioni: dov'è il "campo di casa" della LFP?
Grazie ai suoi vantaggi in termini di sicurezza e costi, l'LFP è diventato una necessità nei seguenti scenari:
1. Veicoli a nuova energia: un contrattacco dal basso all'alto
**Modelli base:** La Wuling Hongguang MINI EV è dotata di batterie al litio-fosfato (LFP). Questo riduce i costi di 151 TP3T, abbassando il prezzo a 30.000 yuan.
**Modelli di fascia medio-alta:** BYD Han EV e Xiaopeng P5 utilizzano versioni Blade Battery/LFP. Offrono un'autonomia fino a 600 km. Questa configurazione bilancia sicurezza e autonomia.
Veicoli commerciali: autobus e veicoli logistici vengono caricati e scaricati 2-3 volte al giorno. La lunga durata delle batterie al piombo-acido (LFP) (10 anni/500.000 chilometri) può ridurre i costi complessivi del ciclo di vita.
2. Centrali di accumulo di energia: la “casa assoluta” di LFP
70% delle centrali elettriche di accumulo di energia a livello mondiale utilizzano batterie LFP per tre motivi:
Lunga durata (10.000 cicli), senza necessità di sostituzione per 20 anni;
Basso costo (0,5 yuan/Wh), 30% inferiore ai materiali ternari;
Elevati livelli di sicurezza prevengono gli incendi nelle centrali elettriche ad accumulo di energia. L'incendio del 2021 in Texas è stato causato da batterie ternarie.
I progetti cinesi di "accumulo di energia fotovoltaica + LFP", come la centrale da 100 MW nella prefettura di Haixi, nel Qinghai, hanno ridotto i costi. Ora, il prezzo per kilowattora è di soli 0,3 yuan, rendendolo più economico della produzione di energia a carbone.
3. Veicoli a due ruote e applicazioni speciali
Biciclette elettriche: i modelli di fascia alta di Yadea e Aima utilizzano batterie al piombo-acido. Queste batterie mantengono l'80% della loro capacità dopo 500 ricariche. Ciò significa che durano tre volte di più delle batterie al piombo-acido.
Navi e attrezzature sotterranee: in spazi ristretti come sottomarini e miniere di carbone, la natura non esplosiva dell'LFP è essenziale. L'LFP è stato utilizzato come fonte di energia di emergenza per la sonda cinese per le profondità marine, la "Struggler".
L'LFP è passata da una quota di mercato inferiore a 10% nel 2015 a oltre 50% nel 2023. Questa crescita deriva dall'attenzione del nuovo settore energetico al bilanciamento di sicurezza e costi. I veicoli elettrici stanno diventando "beni di prima necessità", non solo "strumenti di esperienza". L'accumulo di energia si sta trasformando da "energia supplementare" a "pilastri della rete". L'LFP offre stabilità e affidabilità come vantaggi chiave.
In futuro, elettroliti allo stato solido più performanti e il drogaggio con ioni di sodio potrebbero aumentare la densità energetica e le prestazioni delle batterie alcaline a basse temperature. Indipendentemente da come cambierà, il suo principio fondamentale di "sicurezza" le garantirà il successo nel competitivo mercato delle batterie per l'alimentazione elettrica.
