Accumulatore litio-ferro-fosfato

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Accumulatore litio-ferro-fosfato
Specifiche accumulatore
Energia/peso 90-110 Wh/kg
Energia/volume 220 Wh/L
Potenza/peso >3000 W/kg
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.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

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 a 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, 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]

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.

Introdotte da BYD Auto sui primi veicoli elettrici, le batterie LFP presentavano una densità energetica segnatamente inferiore a quella delle batterie nichel-manganese-cobalto, gap recuperato con l'introduzione della tecnologia cell-to-pack.[6]

Vantaggi e svantaggi[modifica | modifica wikitesto]

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, rispetto alle 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, che possiamo riassumere in vantaggi e svantaggi.

Vantaggi[modifica | modifica wikitesto]

  1. Molte batterie LFP hanno una bassa corrente di auto-scarica.
  2. La vita media delle LFP, se usate al 90% della capacità nominale, supera abbondantemente i 2.000 cicli completi di vita utile.
  3. Anche sottoposte a grossi carichi, danno una ottima stabilità in tensione.
  4. Rispetto ad altre tecnologie al litio, le batterie LFP sono soggette ad un effetto di invecchiamento relativamente basso anche se mantenute ad alte temperature.
  5. Le celle sono commercialmente disponibili in diversi formati che le rendono particolarmente idonee per realizzare batterie di trazione nelle taglie più popolari di 100 / 200 / 300 / 400 AH

Svantaggi[modifica | modifica wikitesto]

  1. L'energia specifica di un accumulatore LFP è inferiore a un accumulatore LiCoO2, anche se i vari produttori stanno investendo per risolvere questo divario.[7]
  2. Agli albori di questa tecnologia, le batterie, se nuove, potevano subire dei malfunzionamenti se scaricate più del 66%, quindi era consigliato un periodo di rodaggio. Questo, grazie all'introduzione di nuovi catodi, non è più attualmente necessario.
  3. Agli albori di questa tecnologia, le batterie soffrivano durante la ricarica rapida. Grazie all'introduzione di nuovi catodi, avvenuta intorno al 2015-2016, questa tecnologia permette ora correnti di carica pari anche a 5-7 volte la capacità nominale.

Ecco un esempio grafico di performance di una cella da 3.000 mAh sottoposta a carichi di corrente crescenti: Tabella Performance a colori (PDF).

Tipologie di batterie Piombo Acido NiCd NiMh LiCo (Li-Ion o LiPo) LiMn (NCM Li-Ion) 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 Molto ridotto No No No
Tensione nominale 2V 1,25V 1,25V 3,7V 3,7V 3,2V
Densità di potenza (mW/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 continuo) 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% 0,8%

Sicurezza[modifica | modifica wikitesto]

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 (cortocircuito, 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.[8]

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 ne rimane circa il 50%.

Utilizzi[modifica | modifica wikitesto]

Attualmente questa tecnologia è impiegata per la costruzione di accumulatori per automobili ibride ed elettriche.[9]

Grazie alla loro relativa economicità, queste batterie vengono utilizzate anche da hobbysti e nel progetto "un computer per ogni bambino".[10]

Nell'ambito dei trasporti, il loro utilizzo non si ferma alle automobili: vengono usate anche nelle biciclette a pedalata assistita, nei motoveicoli elettrici e, nell'utilizzo professionale, nei 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 1.100 mAh (18650) a 16 Ah (40160). Le capacità per quelle rettangolari partono da 20 Ah e possono arrivare fino a 1000 Ah per cella.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ "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
  2. ^ 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)..
  3. ^ Bigger, Cheaper, Safer Batteries: New material charges up lithium-ion battery work. URL consultato il 25 aprile 2019 (archiviato dall'url originale il 13 aprile 2008). sciencenews.org
  4. ^ Building safer Li ion batteries. URL consultato il 15 dicembre 2009 (archiviato dall'url originale il 29 ottobre 2006). houseofbatteries.com
  5. ^ N. Ravet, A. Abouimrane e M. Armand, Nat. Mater., 2, n. 702, 2003.
  6. ^ A New Approach to Car Batteries Is About to Transform EVs, su wired.com, 29 agosto 2022.
  7. ^ Guo, Y.; Hu, J.; Wan, L. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv Mater 2008, 20, 2878-2887
  8. ^ video of safety aspects of Lithium Phosphate technology (archiviato dall'url originale il 14 aprile 2008).
  9. ^ Next Generation Battery Technology Makes Hybrid and Electric Vehicles a Reality (archiviato dall'url originale il 16 maggio 2007). lithiumtech.com
  10. ^ Laptop With a Mission Widens Its Audience, su nytimes.com, New York Times. URL consultato il 4 ottobre 2007. LiFePO4 used in OLPC nytimes.com

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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