Akumulátory LFP » Lítium-železo-fosfátové akumulátory ako moderné úložisko energie
Uverejnené: 10. 10. 2023 | Doba potrebná na prečítanie: 4 minúty
Lítium-iónové akumulátory alebo inak batérie, ako sa tiež v poslednej dobe nazývajú, sa ideálne hodia do mnohých rôznych mobilných a stacionárnych aplikácií. Dosahujú totiž enormnú energetickú hustotu, ktorá napriek vysokej úložnej kapacite, umožňuje veľmi kompaktné konštrukčné prevedenie. Naše super štíhle smartfóny sú toho jasným dôkazom.
Aj automobilový priemysel v rámci elektromobility čoraz viac spolieha na výkonné lítiové akumulátory v najrôznejších prevedeniach, ako napríklad na články NMC alebo články NCA.
Bohužiaľ, okrem množstva skvelých predností existujú aj určité nevýhody, na ktoré nemôžme zabudnúť. V prípade lítiových akumulátorov sú to drahé suroviny ako napríklad nikel, mangán alebo kobalt, ktoré sa v niektorých prípadoch ťažia a spracovávajú veľmi pochybným spôsobom.
Ďalším kritickým bodom je termická nestabilita, ktorá už zapríčinila množstvo požiarov. V záujme vyriešenia týchto problémov boli vyvinuté lítium-železo-fosfátové akumulátory (LFP), ktoré by sme vám tu radi trochu bližšie predstavili.
Lítium-železo-fosfátové akumulátory sa taktiež označujú ako LEP alebo LFP, pričom LFP znamená Lítium Ferro Phosphat (LiFePO4). Preto sa akumulátory LFP radia do veľkej rodiny lítiových akumulátorov.
Kladná elektróda batérie sa skladá z lítium-železo-fosfátu a neobsahuje ani nikel, ani chróm a ani mangán. Záporná elektróda batérie sa skladá z grafitu, rovnako ako u iných lítiových akumulátorov.
Lítium-železo-fosfátové akumulátory existujú vo valcovom prevedení, väčšinou ako články 14500, 18650 alebo 26650. Výrobcovia však ponúkajú aj ploché a do hliníkovej fólie zavarené tzv. pouch cells alebo prizmatické články s pevným puzdrom (viď úvodná fotografia).
Hoci bola technológia lítium-železo-fosfátových článkov vyvinutá už na konci 90. rokov, k veľkému prelomu tejto technológie bohužiaľ doteraz nedošlo.
Kvôli výraznému nárastu cien niklu, kobaltu a mangánu sú akumulátory LFP pre priemysel čoraz viac atraktívnejšie. Navyše je tu ďalší technický vývoj technológie akumulátorov LFP smerom k stále vyššej kapacite.
Nami odporúčané produkty pre akumulátory LiFePO4
V podstate fungujú akumulátory LiFePO4 na rovnakom princípe ako všetky ostatné nabíjacie lítium-iónové články.
Proces nabíjania
Vďaka externému nabíjaciemu napätiu sú záporne nabité elektróny priťahované kladným pólom akumulátora. V dôsledku toho, putujú vo vnútri kladnej elektródy kladne nabité lítiové ióny cez elektrolyt a separátor k zápornej elektróde. Tam na seba lítiové ióny naviažu elektróny dodávané nabíjačkou a ukladajú sa do grafitu zápornej elektródy.
Proces vybíjania
Na vybitie sa spotrebič jednoducho pripojí k obom prípojkám akumulátora. Lítium na zápornej elektróde znovu odovzdá svoj elektrón a interne putuje ako kladne nabitý ión späť ku kladnej elektróde. Tam elektróny, ktoré prichádzajú cez prúdový okruh, umožňujú, aby sa kladne nabité lítiové ióny znovu pridali ku kladnej elektróde.
Podrobnejší popis procesov spojených s nabíjaním a vybíjaním lítiových akumulátorov nájdete v našom Radcovi týkajúcom sa technológie Li-Ion.
O správne dodržanie parametrov nabíjania a vybíjania sa starajú chytré systémy manažmentu batérie (BMS), ktoré sú integrované buď v príslušnom zariadení alebo dokonca priamo v akumulátore.
Ako sme už spomínali, články LFP neobsahujú drahé komponenty ako nikel, mangán a kobalt. To sa pozitívne odráža najmä na ich cene. Ale to nie je všetko. Pretože sa tieto suroviny niekedy ťažia za dosť pochybných ekologických a humanitárnych podmienok, rezignácia na tieto zložky z etických dôvodov je viac než chvályhodná. Avšak články LFP nedosahujú takej energetickej hustoty ako akumulátory NMC/NCA. Presný prehľad výhod a nevýhod vám prinášame nižšie:
Výhody LFP:
· bez použitia niklu, mangánu a kobaltu
· cenovo výhodná výroba
· vysoká termická bezpečnosť
· vysoké nabíjacie a vybíjacie prúdy
· vysoká stabilita cyklu
· dlhá životnosť
· plochá vybíjacia krivka
· široký rozsah teplôt
· ľahká recyklácia
Nevýhody LFP:
· Nízka energetická hustota, resp. špecifická kapacit
· Nutný inteligentný BMS*
* Lítiová technológia môže byť niekedy výhodou a niekedy zase nevýhodou. Plochá vybíjacia krivka na jednej strane zaisťuje dlhodobý vysoký výkon na konštantnej úrovni, no na druhej strane Battéria Management System (BMS) nedokáže jednoduchým meraním napätia zistiť aktuálny stav nabitia (SoC = State of Charge). V tomto prípade je pre efektívny BMS potrebný výrazne vyšší stupeň úsilia.
Malá energetická hustota bola až do tejto doby zabijakom tejto akumulátorovej technológie. Aspoň pre aplikácie v oblasti mobility. U stacionárnych aplikácií, ako je napr. stacionárne úložisko energie na solárne systémy (BESS), však rozhodne dáva zmysel používať akumulátory LFP. Pretože nízku energetickú hustotu, a teda aj zníženú kapacitu pamäte, je možné ľahko kompenzovať doplnkovými akumulátormi. Hmotnosť a potreba miesta zohrávajú pri týchto aplikáciách väčšinou vedľajšiu úlohu.
Doteraz bola hlavná oblasť použitia batérií, resp. akumulátorov LFP väčšinou tam, kde bezpečnosť a dlhá životnosť zohráva dôležitú úlohu. Prekážkou by zároveň nemala byť ani zvýšená potreba miesta na ďalšie články za účelom zvýšenia kapacity. Vďaka tomu boli lítium-železo-fosfátové články používané okrem iného ako stacionárne úložisko energie, v priemysle, v stavebníctve, v lodnej doprave a taktiež pri rôznych špeciálnych vozidlách. Kvôli svojmu konštrukčnému tvaru sa akumulátory LFP často používajú aj ako náhrada za olovené akumulátory alebo gélové olovené akumulátory.
Vďaka ďalšiemu technickému vývoju lítium-železo-fosfátových batérií sa taktiež nepretržite zvyšuje užitočná kapacita lítiových batérií.
Vďaka vysokej bezpečnosti s ohľadom na tepelný únik (samo-zapálenie), enormnú stabilitu cyklu a vysoký nabíjací prúd začína byť táto technológia akumulátorov stále zaujímavejšia pre výrobcov elektromobilov.
Výrobca vozidiel Tesla používa vedľa akumulátorov NMC a NCA do modelu 3 a modelu Y (v základnej verzii) aj vylepšené akumulátory LFP.
V súvislosti s elektromobilitou, resp. použitím technológie LFP v elektromobiloch možno k veľkému prelomu predsa len dôjde.
