¿Qué es LiFePO4?

Todo sobre las baterías LiFePO4 / LFP / Litio Ferrofosfato

LiFePO4, también conocida como batería de fosfato de hierro y litio o LFP (por sus siglas en inglés, Lithium Iron Phosphate), es una tecnología revolucionaria en el mundo de las baterías de iones de litio. En esta página, exploraremos a esta batería, con su definición, historia, ventajas, desventajas, seguridad, especificaciones, usos y mucho más.

¿Qué significa LFP o LiFePO4?

La batería de litio-ferrofosfato (LiFePO4 ) o batería LFP (ferrofosfato de litio), es un tipo de batería de iones de litio que utiliza LiFePO4 como material del cátodo , y un electrodo de carbono grafítico con un respaldo metálico como ánodo .

La densidad de energía de LiFePO4 es más baja que la del óxido de cobalto y litio ( LiCoO2 ), y también tiene un voltaje de funcionamiento más bajo.

El principal inconveniente de LiFePO4 es su baja conductividad eléctrica. Por lo tanto, todos los LiFePO4 Los cátodos considerados son en realidad LiFePO4/C.

Debido a su bajo costo, baja toxicidad, desempeño bien definido, estabilidad a largo plazo, durabilidad y sobre todo seguridad, las baterías LiFePO4 se están convirtiendo rápidamente en el estandar para una serie de usos, cómo los vehículos eléctricos, aplicaciones estacionarias a escala de servicios públicos y energía de respaldo. Además, las baterías LFP no contienen cobalto, y esto es sumamente importante para el abaratamiento del coste de la elaboración de baterías.

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Li Fe PO 4 la química detrás de las baterías LFP

Las siglas Li Fe PO 4 se refieren a los elementos químicos que dan vida a las baterías LFP

• Li: Representa el litio, que es el metal utilizado en el electrodo positivo (cátodo) de la batería. Las baterías de iones de litio son conocidas por su alta densidad de energía y capacidad de carga.
• Fe: Representa el hierro, que es parte del material del cátodo. En lugar de usar otros materiales más comunes, como cobalto o manganeso, las baterías LiFePO4 utilizan fosfato de hierro como parte de su composición.
• PO: Representa el fosfato, que es un grupo químico que forma parte del material del cátodo. El fosfato se combina con el hierro y el litio para crear el material del cátodo en estas baterías.
• 4: El «4» en «LiFePO4» se refiere a la estructura cristalina de fosfato de hierro y litio utilizada en estas baterías. La estructura cristalina específica es una fase llamada «olivino» o «fosfato de hierro litio olivino» (LiFePO4), y este número «4» representa el estado de valencia de 4 del fosfato (PO4), que es un grupo de fosfato. Esta estructura de fosfato de hierro litio es esencial para el funcionamiento de la batería LiFePO4 y contribuye a sus características de alta estabilidad y durabilidad.

Historia

LiFePO4, un mineral perteneciente al grupo olivino (trifilita) de origen natural, se destacó como un avance significativo cuando se introdujo por primera vez como material catódico en baterías recargables de litio en 1996, gracias al trabajo del grupo de investigación dirigido por John Goodenough en la Universidad de Texas. Este mineral ganó rápidamente popularidad debido a su atractiva combinación de ventajas que incluyen su bajo costo, naturaleza no tóxica, abundancia de hierro, estabilidad térmica sobresaliente, seguridad, rendimiento y una capacidad impresionante que alcanza las 170 mA·h/g, o 610 C/g. Su aceptación creció de manera significativa en diversas aplicaciones industriales y tecnológicas.

Sin embargo, en sus primeros días, la baja conductividad eléctrica de LiFePO4 presentaba un desafío importante que limitaba su adopción generalizada. La solución a este obstáculo se encontró en la reducción del tamaño y revestimiento de las partículas de LiFePO4 con materiales conductores como el carbono, y en la dopación con cationes de elementos como aluminio, niobio y zirconio. Esta solución innovadora fue desarrollada por el equipo dirigido por Yet-Ming Chiang en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y permitió la producción en masa de baterías LiFePO4, que ahora se emplean en diversos productos industriales. Corporaciones de renombre como DeWalt de Black and Decker, Fisker Karma, Daimler, Cessna y BAE Systems adoptaron estas baterías en sus dispositivos y vehículos.

Batería Beltway

Tenemos que detenernos que profundizar en la historia de las baterías LiFePO4 con un gran avance desarrollado en el MIT, que se conoce como la «Batería Beltway«. Este sistema utiliza un enfoque de «baipás» que permite que los iones de litio entren y salgan de los electrodos a una velocidad asombrosa, lo que posibilita la carga completa de una batería en menos de un minuto. Los científicos descubrieron que al recubrir las partículas con un material vítreo denominado pirofosfato de litio, los iones pueden atravesar los canales y moverse más rápidamente en comparación con otras baterías convencionales. Estas baterías almacenan y liberan energía en forma de iones entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo, y su rendimiento se ve limitado por la velocidad a la que estos iones se desplazan. Esta innovación podría revolucionar la industria de las baterías LiFePO4 al reducir el tamaño y el peso de las mismas. De hecho, se ha desarrollado un prototipo de celda pequeña que se carga por completo en tan solo 10 a 20 segundos, en comparación con los seis minutos que requieren las celdas de baterías tradicionales. Este avance prometedor podría tener un impacto significativo en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos electrónicos.

Ventajas y Desventajas

Para comprender mejor cuando conviene el uso de LFP y cuando no, analicemos los pros y contras de las celdas LiFePO4.

Ventajas

• Seguridad: Las baterías LiFePO4 son conocidas por su estabilidad térmica y química, lo que mejora significativamente su seguridad. Están diseñadas para resistir abusos como cortocircuitos y sobrecalentamiento. No se incendian, no explotan, no son tóxicas.
• Vida útil prolongada: Estas baterías pueden durar mucho más que otras tecnologías de baterías de iones de litio, lo que las hace ideales para aplicaciones a largo plazo. Entre 4000 y 6000 ciclos al 80%, esto son más de 10 años.
• Voltaje de descarga constante: El voltaje de salida de LiFePO4 se mantiene cercano a 3.2 V durante la descarga, lo que permite que la batería entregue casi toda su potencia antes de agotarse.
• Sostenibilidad: El LiFePO4 no contiene materiales tóxicos y evita el uso de cobalto, lo que reduce la preocupación sobre la contaminación ambiental.
• Alta densidad de energía específica: A pesar de su seguridad, estas baterías ofrecen una buena densidad de energía específica, lo que las hace ideales para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.

Desventajas

• Densidad de energía inferior a otras baterías de iones de litio: A pesar de su buena densidad de energía, el LiFePO4 no es tan eficiente en términos de densidad de energía como las baterías de iones de litio convencionales o NMC.
• Costo inicial más alto: Aunque su ciclo de vida prolongado puede compensar este costo, las baterías LiFePO4 tienden a ser más costosas en comparación con otras tecnologías, sin embargo, esto parece estar cambiando rápidamente.
• Tasa de descarga más baja: En comparación con las baterías de plomo-ácido y LiCoO2, las baterías LiFePO4 tienen una tasa de descarga más baja, lo que puede requerir baterías de mayor capacidad en algunas aplicaciones. Esto se refiere a la potencia que podemos sacar de la batería en un momento dado.

Seguridad

La seguridad es un aspecto fundamental y distintivo de las baterías LiFePO4. Estas se han ganado una reputación envidiable por su capacidad para proporcionar energía de manera segura y confiable en una variedad de aplicaciones. Veamos en detalle por qué las baterías LiFePO4 son consideradas como una de las opciones más seguras en el mundo de las baterías recargables:

Estabilidad Térmica y Química

Uno de los puntos fuertes del LiFePO4 es su estabilidad térmica y química. A diferencia de algunas otras tecnologías de baterías de iones de litio, las LifePO4 son intrínsecamente más seguras debido a su composición química. El fosfato de hierro y litio (LiFePO4) es un material de cátodo que carece de elementos altamente reactivos, como el cobalto, que se encuentra en otras baterías de iones de litio. Esta característica hace que el LiFePO4 sea menos propenso a reacciones térmicas incontroladas.

En situaciones de abuso, como cortocircuitos o sobrecalentamiento, el LiFePO4 libera oxígeno más lentamente en comparación con otras tecnologías. Esta liberación lenta de oxígeno contribuye a la estabilización de las energías redox, lo que evita problemas relacionados con la temperatura y mejora la seguridad general de la batería.

Menor Riesgo de Descontrol Térmico

El coeficiente de resistencia a la temperatura negativa del LiFePO4 es un aspecto crucial para la seguridad de la batería. A diferencia de las baterías con cobalto en el cátodo, como el LiCoO2, las baterías LiFePO4 tienen un coeficiente de resistencia a la temperatura negativa, lo que favorece el descontrol térmico. Esta característica significa que las baterías LiFePO4 son menos susceptibles a la aparición de problemas de seguridad relacionados con el calor.

Integridad Estructural

La estructura de las baterías LiFePO4 se mantiene bastante estable durante el ciclo de carga y descarga. A medida que el litio entra y sale del cátodo en una celda LiFePO4, el material experimenta una expansión lineal y controlada. Esta expansión es mucho menos drástica en comparación con las baterías que contienen cobalto en el cátodo. La estabilidad estructural de las celdas LiFePO4 reduce el riesgo de daños por expansión y contracción cíclica, lo que es un factor clave en su seguridad y longevidad.

Reducción de la liberación de oxígeno

Cuando una batería se somete a un mal manejo o abuso, como una sobrecarga, a menudo se libera oxígeno. En el caso del LiFePO4, la liberación de oxígeno es más lenta y controlada, lo que reduce la posibilidad de una reacción térmica exotérmica. Esto hace que las baterías LiFePO4 sean menos propensas a incendios o explosiones en comparación con algunas otras baterías de iones de litio, el temido «thermal runaway» o fuga térmica.

Menos Propensas a Descomponerse a Altas Temperaturas

Las baterías LiFePO4 son menos propensas a la descomposición a altas temperaturas en comparación con algunas otras tecnologías de baterías de iones de litio. Su estructura química y térmica estable las hace ideales para aplicaciones en entornos en los que las temperaturas pueden variar significativamente.

Especificaciones

Las especificaciones técnicas de las baterías LiFePO4 son impresionantes:

• Voltaje de celda:
  • Voltaje mínimo de descarga: 2.5 V
  • Voltaje de funcionamiento: 3.0 ~ 3.2 V
  • Voltaje de carga máximo: 3.65 V
• Densidad de energía:
  • Densidad de energía volumétrica: 220 Wh/L (790 kJ/L)
  • Densidad de energía gravimétrica: >90 Wh/kg (>320 J/g), hasta 160 Wh/kg (580 J/g).
• Ciclo de vida:
  • 100% de DOD (número de ciclos al 80% de la capacidad original): 2000-7000
  • 10% de vida útil del ciclo DOD: >10,000
• Composición del cátodo:
  • 90% C-LiFePO4, grado Phos-Dev-12
  • 5% de carbono EBN-10-10 (grafito superior)
  • 5% de fluoruro de olivinilideno (PVDF)
• Configuración de una celda LiFePO4:
  • Colector de aluminio recubierto de carbono
  • Electrolito de Carbonato de etileno o Carbonato de dimetelio (EC-DMC) 1-1 LiClO4 1M
  • Anodo de grafito o carbono endurecido con litio metálico intercalado

Usos

Las baterías LiFePO4 tienen una amplia gama de aplicaciones:

• Almacenamiento de energía en el hogar: Su tamaño, seguridad y alta capacidad de potencia las hacen ideales para el uso en viviendas con sistemas de almacenamiento de energía.
• Transporte: Se utilizan en vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas y carretillas elevadoras debido a su alta tasa de descarga y vida útil prolongada.
• Sistemas de iluminación solar: Estas baterías se utilizan en sistemas de iluminación de paisaje con energía solar debido a su voltaje de trabajo más alto y tolerancia a la sobrecarga.
• Otros usos: Se encuentran en linternas, modelos controlados por radio, equipos portátiles con motor, equipos de radioaficionados, sistemas de sensores industriales e iluminación de emergencia.

Las baterías LiFePO4 están liderando la revolución de la energía verde con su combinación de seguridad, durabilidad y sostenibilidad. ¡Únete al movimiento hacia un futuro más limpio y sostenible con LiFePO4!