Hoy en día, hay una gran cantidad de baterías con diferentes tipos de química. Las baterías más populares hoy en día son las de iones de litio. Este grupo también incluye baterías de litio-hierro-fosfato (ferrofosfato). Si bien todas las baterías de esta categoría son muy similares en cuanto a especificaciones técnicas, las baterías de fosfato de hierro y litio tienen sus propias características únicas que las distinguen de otras baterías fabricadas con tecnología de iones de litio.
La historia del descubrimiento de la batería de fosfato de hierro y litio
El inventor de la batería LiFePO4 es John Goodenough, quien trabajó en 1996 en la Universidad de Texas en un nuevo material de cátodo para baterías de iones de litio. El profesor logró crear un material que es más barato, tiene menos toxicidad y alta estabilidad térmica. Entre las deficiencias de la batería, que utilizaba el nuevo cátodo, se encontraba una menor capacidad.
Nadie estaba interesado en el invento de John Goodenough, pero en 2003 A 123 Systems decidió desarrollar esta tecnología, considerándola bastante prometedora. Muchas grandes corporaciones se han convertido en inversores en esta tecnología: Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.
Características de las baterías LiFePO4
El voltaje de la batería de ferrofosfato es el mismo que el de otras baterías de tecnología de iones de litio. El voltaje nominal depende de las dimensiones de la batería (tamaño, factor de forma). Para baterías 18 650 esto es 3.7 voltios, para 10 440 (meñiques) - 3.2, para 24 330 - 3.6.
Para casi todas las baterías, el voltaje cae gradualmente durante la descarga. Una de las características únicas es la estabilidad del voltaje cuando se trabaja con baterías LiFePO4. Las baterías fabricadas con tecnología de níquel (níquel-cadmio, hidruro de níquel-metal) tienen características de voltaje similares a estas.
Dependiendo del tamaño, una batería de fosfato de hierro y litio puede proporcionar entre 3,0 y 3,2 voltios hasta que se descarga por completo. Esta propiedad otorga más ventajas a estas baterías cuando se utilizan en circuitos, ya que prácticamente elimina la necesidad de regulación de voltaje.
El voltaje de descarga total es de 2,0 voltios, el límite de descarga más bajo registrado de cualquier batería de tecnología de litio. Estas baterías son líderes envida útil, que equivale a 2000 ciclos de carga y descarga. Debido a la seguridad de su estructura química, las baterías LiFePO4 se pueden cargar mediante un método especial de delta V acelerado cuando se aplica una gran corriente a la batería.
Muchas baterías no pueden soportar este método de carga, lo que hace que se sobrecalienten y se deterioren. En el caso de las baterías de litio-hierro-fosfato, utilizar este método no solo es posible, sino incluso recomendable. Por lo tanto, existen cargadores especiales específicamente para cargar este tipo de baterías. Por supuesto, dichos cargadores no se pueden usar en baterías con otra química. Según el factor de forma, las baterías de fosfato de hierro y litio de estos cargadores se pueden cargar por completo en 15 a 30 minutos.
Los desarrollos recientes en el campo de las baterías LiFePO4 ofrecen al usuario baterías con un rango de temperatura de funcionamiento mejorado. Si el rango de funcionamiento estándar para las baterías de iones de litio es de -20 a +20 grados centígrados, entonces las baterías de fosfato de hierro y litio pueden funcionar perfectamente en el rango de -30 a +55. Cargar o descargar una batería a temperaturas superiores o inferiores a las descritas dañará gravemente la batería.
Las baterías de fosfato de hierro y litio se ven mucho menos afectadas por el efecto del envejecimiento que otras baterías de iones de litio. El envejecimiento es la pérdida natural de capacidad a lo largo del tiempo, que es independiente de si se usa o no una batería.está en el estante. En comparación, todas las baterías de iones de litio pierden alrededor del 10 % de su capacidad cada año. El fosfato de hierro y litio pierde solo un 1,5 %.
La desventaja de estas baterías es su menor capacidad, que es un 14 % menos (más o menos) que otras baterías de iones de litio.
Seguridad de las baterías de ferrofosfato
Este tipo de baterías se considera una de las más seguras entre todos los tipos de baterías existentes. Las baterías de fosfato de litio LiFePO4 tienen una química muy estable y pueden soportar cargas pesadas bien en descarga (en operación de baja resistencia) y carga (cuando se carga la batería con corrientes altas).
Debido al hecho de que los fosfatos son químicamente seguros, estas baterías son más fáciles de desechar una vez que se han agotado sus recursos. Muchas baterías con productos químicos peligrosos (como el litio-cob alto) deben someterse a procesos de reciclaje adicionales para eliminar su peligro ambiental.
Carga de baterías de fosfato de hierro y litio
Una de las razones del interés comercial de los inversores en la química del ferrofosfato fue la capacidad de cargarse rápidamente, como resultado de su estabilidad. Inmediatamente después de la organización del lanzamiento del transportador de baterías LiFePO4, se colocaron como baterías que pueden cargarse rápidamente.
Se han producido cargadores especiales para este fin. Como ya se mencionó anteriormente, dichos cargadores no se pueden usar en otras baterías, ya que esto hará que se sobrecalienten y dañen en gran medidaellos.
Un cargador especial para estas baterías puede cargarlas en 12-15 minutos. Las baterías de ferrofosfato también se pueden cargar con cargadores convencionales. También hay opciones de cargador combinado con ambos modos de carga. La mejor opción, por supuesto, sería usar cargadores inteligentes con muchas opciones para controlar el proceso de carga.
Dispositivo de batería de fosfato de hierro y litio
La batería de litio-hierro-fosfato LiFePO4 no tiene características especiales en la estructura interna en comparación con sus contrapartes en tecnología química. Solo un elemento ha sufrido un cambio: un cátodo hecho de fosfato de hierro. El material del ánodo es litio (todas las baterías de iones de litio tienen un ánodo de litio).
El funcionamiento de cualquier batería se basa en la reversibilidad de una reacción química. De lo contrario, los procesos que ocurren dentro de la batería se denominan procesos de oxidación y reducción. Cualquier batería consta de electrodos: un cátodo (menos) y un ánodo (más). Además, dentro de cualquier batería hay un separador, un material poroso impregnado con un líquido especial, un electrolito.
Cuando la batería está descargada, los iones de litio se mueven a través del separador desde el cátodo hasta el ánodo, liberando la carga acumulada (oxidación). Cuando se carga una batería, los iones de litio se mueven en la dirección opuesta del ánodo al cátodo, acumulando carga (recuperación).
Tipos de baterías de fosfato de hierro y litio
Todos los tipos de baterías en esta química se pueden dividir en cuatro categorías:
- CompletadoBatería.
- Grandes celdas en forma de paralelepípedos.
- Pequeñas celdas en forma de paralelepípedos (prismas - baterías LiFePO4 a 3,2 V).
- Pequeñas pilas de monedas (paquetes).
- Baterías cilíndricas.
Las baterías y celdas de fosfato de hierro y litio pueden tener diferentes voltajes nominales de 12 a 60 voltios. Superan a las baterías de plomo-ácido tradicionales en muchos aspectos: el tiempo de ciclo es mucho mayor, el peso es varias veces menor y se recargan varias veces más rápido.
Las baterías cilíndricas en esta química se usan tanto por separado como en cadena. Las dimensiones de estas pilas cilíndricas son muy diferentes: desde 14.500 (tipo dedo) hasta 32.650.
Baterías de fosfato de hierro y litio
Las baterías de ferrofosfato para bicicletas y ciclos eléctricos merecen especial atención. Con la invención de un nuevo cátodo de fosfato de hierro, junto con otros tipos de baterías basadas en esta química, surgieron baterías especiales que, debido a sus características mejoradas y su menor peso, pueden usarse convenientemente incluso en bicicletas comunes. Estas baterías ganaron popularidad de inmediato entre los fanáticos de actualizar sus bicicletas.
Las baterías de fosfato de hierro y litio pueden proporcionar varias horas de ciclismo sin preocupaciones, lo cual es una competencia digna para los motores de combustión interna, que también se instalaban a menudo en las bicicletas en el pasado. Generalmente para datosSe utilizan baterías LiFePO4 de 48v, pero es posible adquirir baterías de 25, 36 y 60 voltios.
Aplicación de baterías de ferrofosfato
El papel de las baterías en esta química está claro sin comentarios. Los prismas se utilizan para diferentes propósitos: baterías LiFePO4 3, 2 v. Las celdas más grandes se utilizan como elementos de sistemas de amortiguamiento para energía solar y turbinas eólicas. Las baterías de ferrofosfato se utilizan activamente en la construcción de vehículos eléctricos.
Las baterías planas pequeñas se usan para teléfonos, computadoras portátiles y tabletas. Las baterías cilíndricas de diferentes factores de forma se utilizan para pistolas de airsoft, cigarrillos electrónicos, modelos controlados por radio, etc.
