¿Qué es una batería LiFePO4?
2025-02-08
La batería Lifepo4 es una batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro litio (LiFePO4) como material del electrodo positivo y carbono como material del electrodo negativo. El voltaje nominal de la celda individual es de 3.2V y el voltaje de corte de carga es de 3.6V a 3.65V.
Durante el proceso de carga, algunos iones de litio del fosfato de hierro litio escapan, se transfieren al electrodo negativo a través del electrolito y se incrustan en el material de carbono del electrodo negativo; al mismo tiempo, los electrones se liberan del electrodo positivo y llegan al electrodo negativo a través del circuito externo para mantener el equilibrio de la reacción química. Durante el proceso de descarga, los iones de litio escapan del electrodo negativo y llegan al electrodo positivo a través del electrolito. Al mismo tiempo, el electrodo negativo libera electrones y llega al electrodo positivo a través del circuito externo para proporcionar energía al exterior.
Las baterías Lifepo4 tienen las ventajas de un alto voltaje de operación, alta densidad de energía, larga vida útil de ciclo, buen rendimiento de seguridad, baja tasa de autodescarga y ningún efecto memoria.
Características estructurales de las baterías de fosfato de hierro litio (LiFePO4)
El lado izquierdo de la batería Lifepo4 es el electrodo positivo, compuesto por material LiFePO4 con estructura de olivina, que está conectado al electrodo positivo de la batería mediante una lámina de aluminio. El lado derecho es el electrodo negativo de la batería, compuesto de carbono (grafito), que está conectado al electrodo negativo de la batería mediante una lámina de cobre. En el centro se encuentra un diafragma polimérico, que separa el electrodo positivo del electrodo negativo. Los iones de litio pueden atravesar el diafragma, pero los electrones no. La batería está llena de electrolito y se sella con una carcasa metálica.
Principio de carga y descarga de la batería Lifepo4
La reacción de carga y descarga de la batería Lifepo4 se lleva a cabo entre LiFePO4 y FePO4. Durante el proceso de carga, el LiFePO4 se separa gradualmente de los iones de litio para formar FePO4, y durante el proceso de descarga, los iones de litio se incrustan en el FePO4 para formar LiFePO4.
Cuando la batería se carga, los iones de litio migran desde los cristales de fosfato de hierro litio hacia la superficie del cristal, entran en el electrolito bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico, luego atraviesan el diafragma y migran hacia la superficie del cristal de grafito a través del electrolito, y finalmente se incrustan en la estructura cristalina del grafito.
Al mismo tiempo, los electrones fluyen hacia el colector de lámina de aluminio del electrodo positivo a través del conductor, y fluyen hacia el colector de lámina de cobre del electrodo negativo de la batería a través de las pestañas, la columna positiva de la batería, el circuito externo, la columna negativa, y las pestañas negativas, y luego fluyen hacia el electrodo negativo de grafito a través del conductor, equilibrando así la carga del electrodo negativo. Después de que los iones de litio se desintercalan del fosfato de hierro litio, el fosfato de hierro litio se convierte en fosfato de hierro.
Cuando la batería se descarga, los iones de litio se desintercalan de los cristales de grafito, entran en el electrolito, luego pasan a través del diafragma, migran hacia la superficie de los cristales de fosfato de hierro litio a través del electrolito y luego se reinsertan en la estructura del fosfato de hierro litio.
Al mismo tiempo, los electrones fluyen a través del conductor hacia el colector de lámina de cobre en el electrodo negativo, pasando por las pestañas, la columna negativa de la batería, el circuito externo, la columna positiva y la pestaña positiva hasta el colector de lámina de aluminio en el electrodo positivo de la batería, y luego a través del conductor hacia el electrodo positivo de fosfato de hierro litio, equilibrando así la carga del electrodo positivo. Después de que los iones de litio se incrustan en los cristales de fosfato de hierro, el fosfato de hierro se convierte en fosfato de hierro litio.
Características de las baterías de fosfato de hierro litio
Alta densidad de energía
Según informes, la densidad de energía del monómero de batería Lifepo4 con carcasa de aluminio cuadrada producido en 2018 era de aproximadamente 160Wh/kg. En 2019, algunos fabricantes de baterías de alta calidad probablemente lograron un nivel de 175-180Wh/kg. Algunos fabricantes poderosos utilizan tecnología de laminado y capacidades más grandes, lo que les permite alcanzar hasta 185Wh/kg.
Buen rendimiento de seguridad
El rendimiento electroquímico del material del electrodo positivo de la batería Lifepo4 es relativamente estable, lo que determina que tenga una plataforma de carga y descarga estable. Por lo tanto, la estructura de la batería no cambiará durante el proceso de carga y descarga, y no se quemará ni explotará. Incluso en condiciones especiales como cortocircuitos, sobrecarga, compresión o perforación, sigue siendo muy segura.
Larga vida útil de ciclo
La vida útil de ciclo 1C de la batería Lifepo4 generalmente alcanza las 2,000 veces, o incluso más de 3,500 veces, mientras que el mercado de almacenamiento de energía requiere más de 4,000-5,000 veces, lo que garantiza una vida útil de 8 a 10 años. Esto es superior a la vida útil de ciclo de más de 1,000 veces de las baterías ternarias, y la vida útil de ciclo de las baterías de plomo-ácido de larga duración es de aproximadamente 300 veces.
Aplicación de las baterías de fosfato de hierro litio en la industria
Aplicación en la industria de vehículos de nueva energía
Según el informe del Global New Energy Vehicle Research Institute, para 2020, la producción y ventas acumuladas de vehículos de nueva energía alcanzarán los 10 millones. Las baterías Lifepo4 se utilizan ampliamente en automóviles de pasajeros, autobuses, vehículos de logística, vehículos eléctricos de baja velocidad, etc., debido a sus ventajas como la buena seguridad y el bajo costo.
Aunque, en el actual campo de vehículos de pasajeros de nueva energía, afectado por la política nacional de subsidios para vehículos de nueva energía, las baterías ternarias ocupan una posición dominante debido a su ventaja en densidad de energía, las baterías Lifepo4 siguen teniendo ventajas irreemplazables en los campos de autobuses, vehículos de logística, etc.
La proporción de baterías Lifepo4 en el campo de los vehículos eléctricos está aumentando gradualmente.
Los expertos creen que el uso de baterías Lifepo4 en el mercado de vehículos eléctricos de rango extendido no solo puede mejorar la seguridad de los vehículos, sino también apoyar la comercialización de los vehículos eléctricos de rango extendido, eliminando la ansiedad de los vehículos eléctricos puros en cuanto a autonomía, seguridad, precio, carga y problemas posteriores de la batería.
Durante el período de 2007 a 2013, muchas empresas automotrices lanzaron proyectos para vehículos eléctricos puros de rango extendido.
Aplicación en suministro de energía de arranque
Además de las características de las baterías de litio para energía, las baterías Lifepo4 de arranque también tienen capacidades de salida de alta potencia instantánea. Las baterías de litio para energía con una capacidad inferior a un kilovatio-hora se utilizan para reemplazar las baterías tradicionales de plomo-ácido, y los motores BSG se utilizan para reemplazar los motores de arranque y generadores tradicionales. No solo tienen la función de arranque-detención en reposo, sino que también cuentan con funciones como el deslizamiento del motor con apagado del motor, recuperación de energía de frenado y deslizamiento, asistencia en aceleración y crucero eléctrico.
Aplicación en el mercado de almacenamiento de energía
Las baterías Lifepo4 tienen una serie de ventajas únicas, como un alto voltaje de operación, alta densidad de energía, larga vida útil de ciclo, baja tasa de autodescarga, sin efecto memoria y protección ambiental verde. También permiten una expansión continua y son adecuadas para almacenamiento de energía a gran escala.
Tienen buenas perspectivas de aplicación en campos como la conexión segura a la red de estaciones de energía renovable, regulación de picos de red, estaciones de energía distribuidas, suministros de energía UPS y sistemas de energía de emergencia.
Según el último informe de almacenamiento de energía recientemente lanzado por la organización internacional de investigación de mercados GTM Research, la aplicación de proyectos de almacenamiento de energía en el lado de la red ha llevado a un aumento continuo en el uso de baterías de fosfato de hierro litio.
Con el auge del mercado de almacenamiento de energía, en los últimos años, algunas empresas de baterías de potencia han desplegado negocios de almacenamiento de energía para abrir nuevos mercados de aplicación para las baterías de fosfato de hierro litio.
Por un lado, debido a su ultra-larga vida útil, uso seguro, gran capacidad y protección ambiental verde, el fosfato de hierro litio puede trasladarse al campo del almacenamiento de energía, lo que extenderá la cadena de valor y promoverá el establecimiento de un nuevo modelo de negocio.
Por otro lado, los sistemas de almacenamiento de energía que soportan baterías Lifepo4 se han convertido en la opción principal en el mercado. Según informes, se han probado baterías Lifepo4 en autobuses eléctricos, camiones eléctricos, regulación de frecuencia en el lado del usuario y de la red.
1. La generación de energía de fuentes renovables como la energía eólica y fotovoltaica puede conectarse de manera segura a la red.
Las características inherentes de aleatoriedad, intermitencia y volatilidad de la generación de energía eólica determinan que su desarrollo a gran escala inevitablemente tendrá un impacto significativo en la operación segura del sistema eléctrico.
Con el rápido desarrollo de la industria eólica, especialmente el hecho de que la mayoría de los parques eólicos en mi país son "desarrollos centralizados a gran escala y transmisión a larga distancia", la generación de energía a partir de parques eólicos a gran escala presenta desafíos severos para la operación y el control de las grandes redes eléctricas.
La generación de energía fotovoltaica se ve afectada por la temperatura ambiente, la intensidad solar y las condiciones climáticas, mostrando fluctuaciones aleatorias.
La generación de energía fotovoltaica muestra una tendencia de desarrollo de "desarrollo descentralizado, acceso local de baja tensión" y "desarrollo a gran escala, acceso de media y alta tensión", lo que plantea mayores exigencias para la regulación de picos de la red y la operación segura del sistema eléctrico.
Por lo tanto, los productos de almacenamiento de energía de gran capacidad se han convertido en un factor clave para resolver la contradicción entre la red eléctrica y la generación de energía renovable.
El sistema de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4 tiene las características de una conversión rápida de las condiciones de trabajo, modo de operación flexible, alta eficiencia, seguridad y protección ambiental, fuerte escalabilidad, entre otras. Ha sido aplicado en el proyecto nacional de demostración de almacenamiento y transmisión de energía eólica y solar, lo que mejorará eficazmente la eficiencia del equipo, resolverá problemas locales de control de voltaje, mejorará la fiabilidad de la generación de energía renovable y mejorará la calidad de la energía, haciendo de la energía renovable un suministro de energía continuo y estable.
Con la expansión continua de la capacidad y la escala, y la madurez continua de la tecnología de integración, el costo de los sistemas de almacenamiento de energía se reducirá aún más. Después de una prueba prolongada de seguridad y fiabilidad, se espera que los sistemas de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4 se utilicen ampliamente en la conexión segura a la red de la generación de energía renovable, como la energía eólica y fotovoltaica, y en la mejora de la calidad de la energía.
2. Regulación de carga de picos de la red.
El principal medio de regulación de carga de picos de la red siempre ha sido las estaciones de almacenamiento por bombeo. Dado que las estaciones de almacenamiento por bombeo requieren la construcción de dos embalses superior e inferior, están fuertemente restringidas por las condiciones geográficas y no son fáciles de construir en áreas llanas. Además, ocupan una gran área y tienen altos costos de mantenimiento. El uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4 para reemplazar las estaciones de almacenamiento por bombeo puede hacer frente a las cargas de picos de la red. No están restringidos por condiciones geográficas, tienen libre elección de ubicación, baja inversión, pequeña área de terreno y bajos costos de mantenimiento. Jugarán un papel importante en el proceso de regulación de carga de picos de la red.
3. Estaciones de energía distribuidas.
Debido a los defectos inherentes de las grandes redes eléctricas, es difícil garantizar la calidad, eficiencia, seguridad y fiabilidad del suministro eléctrico. Para unidades y empresas importantes, a menudo se requieren suministros de energía duales o incluso múltiples como respaldo y protección. Los sistemas de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4 pueden reducir o evitar los cortes de energía causados por fallos en la red eléctrica y diversos eventos inesperados, desempeñando un papel importante en garantizar un suministro eléctrico seguro y fiable para hospitales, bancos, centros de mando y control, centros de procesamiento de datos, la industria de materiales químicos y la industria de fabricación de precisión.
4. Suministro de energía UPS.
El continuo y rápido desarrollo económico ha llevado a la descentralización de la demanda de suministro de energía UPS, lo que ha generado una demanda continua de suministros de energía UPS en más industrias y empresas.
En comparación con las baterías de plomo-ácido, las baterías Lifepo4 tienen las ventajas de una larga vida útil de ciclo, seguridad y estabilidad, protección ambiental verde y baja tasa de autodescarga. Con la continua madurez de la tecnología integrada y la reducción continua de los costos, se espera que las baterías Lifepo4 se utilicen ampliamente en baterías para suministro de energía UPS.
Aplicaciones en otros campos
Las baterías Lifepo4 también se utilizan ampliamente en el campo militar debido a su buena vida útil de ciclo, seguridad, rendimiento a bajas temperaturas y otras ventajas. El 10 de octubre de 2018, una empresa de baterías de Shandong hizo una destacada aparición en la primera Exposición de Logros de Innovación en Ciencia y Tecnología de Integración Militar-Civil de Qingdao, exhibiendo productos militares que incluían baterías militares de ultra-baja temperatura de -45℃.
Sistema de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4
Las baterías Lifepo4 tienen una serie de ventajas únicas, como un alto voltaje de operación, alta densidad de energía, larga vida útil de ciclo y protección ambiental verde. También admiten expansión continua. Después de formar un sistema de almacenamiento de energía, pueden almacenar energía eléctrica a gran escala. El sistema de almacenamiento de energía con baterías Lifepo4 consta de un paquete de baterías Lifepo4, un sistema de gestión de baterías (BMS), un dispositivo de conmutación (rectificador, inversor), un sistema de monitoreo central, un transformador, etc.
Durante la etapa de carga, el suministro de energía intermitente o la red eléctrica carga el sistema de almacenamiento de energía. La energía en corriente alterna (CA) se rectifica en corriente continua (CC) después de pasar a través del rectificador para cargar el módulo de batería de almacenamiento de energía y almacenar energía; durante la etapa de descarga, el sistema de almacenamiento de energía descarga hacia la red eléctrica o la carga, y la energía en corriente continua del módulo de batería de almacenamiento se convierte en corriente alterna a través del inversor. La salida del inversor es controlada por el sistema de monitoreo central para proporcionar una salida de energía estable a la red eléctrica o carga.
Para más información sobre el BMS, por favor consulte "Sistema de gestión de baterías Lifepo4 (BMS)”
Para más información sobre inversores, por favor consulte "Sistema de conversión de energía".
Para más información sobre el sistema de gestión de baterías Lifepo4, por favor consulte "Sistema de gestión de energía".
Utilización en cascada de baterías de fosfato de hierro y litio
En general, las baterías de Lifepo4 retiradas de vehículos eléctricos aún conservan cerca del 80% de su capacidad, y aún hay un 20% de capacidad restante antes de llegar al límite inferior del 60% de capacidad completamente desechada. Pueden ser utilizadas en aplicaciones con menores requisitos de energía que los automóviles, como vehículos eléctricos de baja velocidad, estaciones base de comunicación, etc., para lograr la utilización en cascada de baterías usadas.
Las baterías Lifepo4 retiradas de los automóviles aún tienen un alto valor de utilización. El proceso de utilización en cascada de las baterías de potencia es el siguiente: las empresas reciclan las baterías retiradas, desensamblaje, pruebas y clasificación, clasificación por capacidad, reorganización del módulo de batería. Bajo el nivel de preparación de las baterías, la densidad de energía residual de las baterías usadas de Lifepo4 puede alcanzar entre 60 y 90 Wh/kg, y la vida útil del reciclaje puede llegar a entre 400 y 1000 ciclos. Con la mejora del nivel de preparación de las baterías, la vida útil del reciclaje podría mejorar aún más. Comparado con las baterías de plomo-ácido, con una energía de 45 Wh/kg y una vida útil de aproximadamente 500 ciclos, las baterías usadas de Lifepo4 aún presentan ventajas de rendimiento. Además, el costo de las baterías usadas de Lifepo4 es relativamente bajo, solo de 4000 a 10000 yuanes/t, lo que las hace muy económicas.
Características del reciclaje de baterías de fosfato de hierro y litio
Crecimiento rápido y gran cantidad de desechos
Desde el desarrollo de la industria de vehículos eléctricos, China ha sido el mayor mercado consumidor de fosfato de hierro y litio del mundo. En particular, creció a una tasa cercana al 200% de 2012 a 2013. En 2013, las ventas de fosfato de hierro y litio de China fueron de aproximadamente 5797 toneladas, lo que representó más del 50% de las ventas globales.
En 2014, el 75% de los materiales catódicos de fosfato de hierro y litio fueron vendidos a China. La vida teórica de las baterías Lifepo4 es de 7 a 8 años (calculada como 7 años). Se estima que para 2021, aproximadamente 9400 toneladas de fosfato de hierro y litio serán desechadas. Si no se maneja esta enorme cantidad de desechos, no solo causará contaminación ambiental, sino también desperdicio de energía y pérdidas económicas.
Daños significativos El LiPF6
El LiPF6, los carbonatos orgánicos, el cobre y otras sustancias químicas contenidas en las baterías de Lifepo4 están en la lista de desechos peligrosos nacionales. El LiPF6 es altamente corrosivo y se descompone fácilmente cuando entra en contacto con agua, produciendo HF; los disolventes orgánicos y sus productos de descomposición e hidrólisis pueden causar una contaminación grave de la atmósfera, el agua y el suelo, y dañar el ecosistema; los metales pesados como el cobre se acumulan en el medio ambiente, lo que finalmente perjudica a los seres humanos a través de la cadena biológica; una vez que el fósforo entra en los cuerpos de agua como lagos, puede causar fácilmente la eutrofización de los cuerpos de agua. Como se puede ver, si las baterías de Lifepo4 desechadas no se reciclan, serán extremadamente perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana.
Tecnología de reciclaje inmadura
La información disponible muestra que existen dos tipos de procesos de reciclaje para las baterías de fosfato de hierro y litio usadas: uno es el reciclaje de metales, y el otro es la regeneración de materiales catódicos de fosfato de hierro y litio.
Desensamblaje y reciclaje de baterías de fosfato de hierro y litio
Las baterías de Lifepo4 retiradas que no tienen valor de utilización en cascada y las baterías después de la utilización en cascada finalmente entrarán en la etapa de desensamblaje y reciclaje. A diferencia de las baterías de materiales ternarios, las baterías de Lifepo4 no contienen metales pesados. El reciclaje se centra principalmente en Li, P y Fe. El valor añadido de los productos reciclados es bajo, y es necesario desarrollar rutas de reciclaje de bajo costo. Los métodos de reciclaje principales son la pirometalurgia y la hidrometalurgia.
Proceso de reciclaje pirometalúrgico
El reciclaje pirometalúrgico tradicional generalmente implica la incineración a alta temperatura de las láminas de electrodo para quemar el carbono y la materia orgánica en los fragmentos del electrodo. Las cenizas que no pueden quemarse finalmente se tamizan para obtener un material en polvo fino que contiene metales y óxidos metálicos.
Este método es simple, pero el flujo de procesamiento es largo y la tasa de recuperación integral de los metales valiosos es baja. La tecnología mejorada de reciclaje pirometalúrgico elimina los aglutinantes orgánicos mediante calcinación, separa el polvo de fosfato de hierro y litio de la lámina de aluminio, obtiene el material de fosfato de hierro y litio, y luego agrega las cantidades adecuadas de materias primas para obtener la relación molar requerida de litio, hierro y fósforo, y sintetiza el nuevo fosfato de hierro y litio mediante el método de fase sólida a alta temperatura. Según los cálculos de costos, el reciclaje seco mejorado pirometalúrgico de baterías usadas de Lifepo4 puede ser rentable, pero el fosfato de hierro y litio recién preparado según este proceso de reciclaje tiene muchas impurezas y un rendimiento inestable.
Proceso de reciclaje húmedo
El reciclaje húmedo utiliza principalmente soluciones ácido-base para disolver los iones metálicos en las baterías de fosfato de hierro y litio, y luego usa precipitación, adsorción y otros métodos para extraer los iones metálicos disueltos en forma de óxidos, sales, etc. En el proceso de reacción, se utilizan la mayoría de los reactivos como H2SO4, NaOH y H2O2. El proceso de reciclaje húmedo es simple, los requisitos de equipo no son altos y es adecuado para producción a escala industrial. Es la ruta de tratamiento más investigada y principal para las baterías de iones de litio usadas.
El reciclaje húmedo de las baterías de Lifepo4 se basa principalmente en la recuperación de los electrodos positivos. Al usar el proceso húmedo para reciclar los electrodos positivos de fosfato de hierro y litio, primero debe separarse la lámina de aluminio del material activo del electrodo positivo.
Un método consiste en usar una solución alcalina para disolver el colector de corriente, mientras que el material activo no reacciona con la solución alcalina, y el material activo se puede obtener mediante filtración.
El segundo método consiste en usar un disolvente orgánico para disolver el aglutinante PVDF, de modo que el material del electrodo positivo de fosfato de hierro y litio se separe de la lámina de aluminio, y la lámina de aluminio se reutilice. El material activo se puede procesar posteriormente, y el disolvente orgánico se puede destilar para lograr su reciclaje.
En comparación con los dos métodos, el segundo método es más ecológico y seguro. Una forma de reciclar el fosfato de hierro y litio en el electrodo positivo es generar carbonato de litio. Este método de reciclaje tiene un bajo costo y es adoptado por la mayoría de las empresas de reciclaje de fosfato de hierro y litio, pero el componente principal del fosfato de hierro y litio, el fosfato de hierro (contenido 95%), no se recicla, lo que resulta en un desperdicio de recursos.
El método ideal de reciclaje húmedo es convertir el material catódico desechado de fosfato de hierro y litio en sal de litio y fosfato de hierro para lograr la recuperación completa de los elementos Li, Fe y P.
Para convertir el fosfato de hierro y litio en sal de litio y fosfato de hierro, el hierro ferroso necesita oxidarse a hierro trivalente, y el litio debe lixiviarse mediante lixiviación ácida o alcalina. Algunos investigadores utilizan la calcinación de oxidación para separar las escamas de aluminio y fosfato de hierro y litio, y luego extraerlas y separarlas mediante ácido sulfúrico para obtener fosfato de hierro crudo. La solución se limpia de impurezas y se precipita en carbonato de litio con carbonato de sodio; el filtrado se evapora y cristaliza para obtener el producto de sulfato de sodio anhidro, que se vende como subproducto; el fosfato de hierro crudo se refina más para obtener fosfato de hierro de grado batería, que se puede utilizar en la preparación de materiales de fosfato de hierro y litio. Después de años de investigación, este proceso se ha vuelto relativamente maduro.
Resultados de la aplicación
En la primera mitad de 2022, la capacidad instalada de las baterías de potencia fue de 220,1 GWh, lo que representa un aumento interanual del 109,8%. De estas, la capacidad instalada de las baterías ternarias representó el 41,4%, con un aumento interanual del 51,2%; mientras que la capacidad instalada de las baterías Lifepo4 representó el 58,5%, con un aumento interanual del 189,7%.
En junio de 2024, Geely Automobile lanzará su nueva generación de baterías de fosfato de hierro y litio tipo "cuchilla" autodesarrolladas y autoproducidas, la batería "Aegis Short Blade", que se presentará a finales de junio. Esta nueva generación de baterías se instalará inicialmente en el nuevo modelo de SUV eléctrico puro "Galaxy E5". La batería Aegis Short Blade ha logrado avances tecnológicos en seguridad, vida útil de ciclo, capacidad de carga rápida y rendimiento de descarga a bajas temperaturas.
La nueva generación de baterías Aegis Short Blade logra una mayor seguridad mediante un diseño más corto y compacto, lo que mejora aún más la flexibilidad de todo el diseño del paquete, a la vez que aumenta la densidad energética de la batería Lifepo4 tipo "cuchilla" a casi 200 Wh/kg.
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