Akumulátory LFP » Lithium-železo-fosfátové akumulátory jako moderní úložiště energie
Zveřejněno: 10. 10. 2023 | Doba potřebná k přečtení: 4 minuty
Lithium-iontové akumulátory nebo také baterie, jak jsou v poslední době také nazývány, se ideálně hodí pro celou řadu mobilních a stacionárních aplikací. Dosahují totiž enormní energetické hustoty, která navzdory vysoké úložné kapacitě umožňuje velmi kompaktní konstrukční provedení. Naše super štíhlé smartphony jsou toho dokladem.
Ale také automobilový průmysl sází u elektromobility na výkonné lithiové akumulátory v nejrůznějších provedeních, jako například na články NMC nebo články NCA.
Vedle spousty skvělých předností existují bohužel také určité nevýhody, které nemůžeme pominout. V případě lithiových akumulátorů jsou to drahé suroviny jako například nikl, mangan nebo kobalt, které jsou v některých případech dobývány a zpracovávány povážlivým způsobem.
Dalším kritickým bodem je termická nestabilita, která již zapříčinila řadu požárů. V zájmu vyřešení těchto problémů byly vyvinuty lithium-železo-fosfátové akumulátory (LFP), které bychom vám zde rádi představili trochu blíže.
Lithium-železo-fosfátové akumulátory se označují také jako LEP nebo LFP, přičemž LFP znamená Lithium Ferro Phosphat (LiFePO4). Z tohoto důvodu se akumulátory LFP řadí do velké rodiny lithiových akumulátorů.
Kladná elektroda baterie se skládá z lithium-železo-fosfátu a neobsahuje ani nikl, ani chrom, ani mangan. Záporná elektroda baterie se skládá z grafitu, stejně jako u jiných lithiových akumulátorů.
Lithium-železo-fosfátové akumulátory existují ve válcovém provedení, většinou jako články 14500, 18650 nebo 26650. Výrobci ale nabízejí také ploché a do hliníkové fólie zavařené tzv. pouch cells nebo prizmatické články s pevným pouzdrem (viz úvodní fotografie).
Přestože byla technologie lithium-železo-fosfátových článků vyvinuta již na konci 90. let, k velkému průlomu této technologie dosud bohužel nedošlo.
Kvůli signifikantnímu nárůstu cen niklu, kobaltu a manganu jsou akumulátory LFP pro průmysl stále atraktivnější. Navíc je tu další technický vývoj technologie akumulátorů LFP směrem ke stále vyšší kapacitě.
Námi doporučované produkty pro akumulátory LiFePO4
V zásadě fungují akumulátory LiFePO4 na stejném principu jako všechny ostatní nabíjecí lithium-iontové články.
Proces nabíjení
Díky externímu nabíjecímu napětí jsou záporně nabité elektrony přitahovány kladným pólem akumulátoru. V důsledku toho uvnitř kladné elektrody putují kladně nabité lithiové ionty elektrolytem a separátorem k záporné elektrodě. Tam na sebe lithiové ionty navážou elektrony poskytované nabíječkou a ukládají se v grafitu záporné elektrody.
Proces vybíjení
Pro vybití se spotřebič jednoduše připojí k oběma přípojkám akumulátoru. Lithium na záporné elektrodě svůj elektron zase odevzdá a interně putuje jako kladně nabitý iont zpátky ke kladné elektrodě. Tam elektrony, které přicházejí přes proudový okruh, umožňují, aby se kladně nabité lithiové ionty znovu přidaly ke kladné elektrodě.
Přesnější popis procesů při nabíjení a vybíjení lithiových akumulátorů najdete v našem Rádce týkající se technologie Li-Ion.
O správné dodržení parametrů nabíjení a vybíjení se starají chytré systémy managementu baterie (BMS), které jsou integrované buď v příslušném zařízení, nebo dokonce přímo v akumulátoru.
Jak jsme už zmínili, články LFP neobsahují drahé komponenty jako nikl, mangan a kobalt. To se pozitivně projevuje zejména na jejich ceně. Ale to není vše. Protože jsou tyto suroviny někdy dobývány za dosti pochybných ekologických a humanitárních podmínek, rezignace na tyto složky je chvályhodná také z etických důvodů. Nicméně články LFP také nedosahují takové energetické hustoty jako akumulátory NMC/NCA. Přesný přehled výhod a nevýhod vám přinášíme níže:
Výhody LFP:
· bez použití niklu, manganu a kobaltu
· cenově výhodná výroba
· vysoká termická bezpečnost
· vysoké nabíjecí a vybíjecí proudy
· vysoká stabilita cyklu
· dlouhá životnost
· plochá vybíjecí křivka
· široký rozsah teplot
· snadná recyklace
Nevýhody LFP:
· Nízká energetická hustota, resp. specifická kapacita
· Nutný inteligentní BMS*
* Lithiová technologie může být někdy výhodou a někdy nevýhodou. Plochá vybíjecí křivka zajišťuje na jedné straně dlouhodobý konstantně vysoký výkon, na druhou stranu ale Batterie Management System (BMS) nedokáže jednoduchým měřením napětí zjistit aktuální stav nabití (SoC = State of Charge). Z tohoto důvodu je pro efektivní BMS nutné vynaložení výrazně větší energie.
Malá energetická hustota byla až do této doby zabijákem této akumulátorové technologie. Alespoň pro aplikace v oblasti mobility. U stacionárních aplikací, jako je např. stacionární úložiště energie pro solární systémy (BESS), ale dává smysl vsadit na akumulátory LFP. Protože nízkou energetickou hustotu, a tedy i sníženou kapacitu paměti, lze snadno kompenzovat doplňkovými akumulátory. Hmotnost a potřeba místa u těchto aplikací hrají většinou podřízenou roli.
Hlavní oblast použití baterií, resp. akumulátorů LFP byla doposud většinou tam, kde hraje důležitou roli bezpečnost a dlouhá životnost. Zvýšená potřeba místa pro další články za účelem zvýšení kapacity současně nesměla představovat žádnou překážku. Díky tomu byly lithium-železo-fosfátové články používány mj. jako stacionární úložiště energie, v průmyslu, ve stavebnictví, v lodní dopravě a také u různých speciálních vozidel. Kvůli konstrukčnímu tvaru se ale akumulátory LFP používají také jako náhrada za olověné baterie nebo gelové olověné akumulátory.
Díky dalšímu technickému vývoji lithium-železo-fosfátových baterií se také nepřetržitě zvyšuje užitečná kapacita lithiových baterií.
Díky vysoké bezpečnosti s ohledem na tepelný únik (samozapálení), enormní stabilitu cyklu a vysoký nabíjecí proud začíná být tato technologie akumulátorů stále zajímavější pro výrobce elektromobilů.
Výrobce vozů Tesla vsází vedle akumulátorů NMC a NCA u modelu 3 a u modelu Y (v základní verzi) na zlepšené akumulátory LFP.
V souvislosti s elektromobilitou, resp. použitím technologie LFP v elektromobilech teď možná přece jen dojde k velkému průlomu.
