Litium-rautafosfaattiakku

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Litium-rauta­fosfaatti­akku (LiFePO4-akku tai LFP) on litiumioniakku, joka käyttää litiumrautafosfaattia (LiFePO4) katodimateriaalina. Litium-rauta­fosfaatti­akkukennon nimellinen jännite on 3,2 V. Litium-rauta­fosfaatti­akku kestää tuhansia lataus-purku-jaksoja ja se on perinteisiä litiumakkutekniikoita turvallisempi. Ominaisuuksiensa takia sitä pidetään sopivana akkuna sähköautoihin. Litium-rautafosfaattiakun energiatiheys on noin 100 Wh/kg[1], joka on hieman matalampi kuin kilpailevilla litiumakkukemioilla kuten NMC tai LCO [2]. Siksi litium-rautafosfaattiakut ovat saavuttaneet suosiota erityisesti kiinteissä energianvarastointisovelluksissa sekä raskaammissa ajoneuvoissa. SolidEnergy-yhtiö on ilmoituksensa mukaan kehittänyt turvallisen litium-akun, jonka energiasisältö on 400–500 Wh/kg, tekniikka hyödyntää ultraohuita metallianodeja.[3][4][5]

Litium-rautafosfaattiakkujen hinta on viime vuosina laskenut jyrkästi, ja erään arvion mukaan kennohinta on 53 USD/kWh (2024) [6]

Historia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

LiFePO4 on oliviiniryhmään kuuluva silikaattimineraali. LiFePO4-akun kehitti John Goodenoughin tutkijaryhmä Teksasin yliopistossa 1996.[7] Litiumrautafosfaattia käytetään akuissa katodina.  Litiumrautafosfaatin ominaisuuksien, kuten edullisuuden, myrkyttömyyden, raudan runsaan esiintyvyyden, turvallisuusominaisuuksien, lämpöstabiiliuden ja sähkökemiallisten ominaisuuksien takia sitä pidetään lupaavana katodimateriaalina pienille ja suurille sovelluksille.[8][9]Suurin este sen kaupallistumiselle oli sen luontaisesti matala sähkönjohtavuus. Ongelman ratkaisi Michael Armand ja hänen ryhmänsä pienentämällä partikkeleiden hiukkaskokoa sekä päällystämällä LiFePO4-hiukkasia sähkönjohtavilla materiaaleilla.[10] Yet Ming Chiangin ryhmä esitteli seostusmenetelmän, jossa litiumrautafosfaattiin lisätään pieniä määriä metalli-ioneja, kuten alumiinia, niobiumia ja zirkoniumia.[8]

MIT esitteli uuden päällystyksen, jonka ansiosta ionit pääsevät liikkumaan helpommin akun sisällä. Tämä ns. “beltway battery” hyödyntää ohitusjärjestelmää, joka mahdollistaa litiumionien menevän ja poistuvan elektrodeista sellaisella nopeudella, että akku latautuu täysin alle minuutissa. Tutkijat keksivät, että päällystämällä LiFePO4-partikkelit litiumpyrofosfaatilla, ionit ohittavat kanavat ja liikkuvat nopeammin kuin muissa akuissa. Akut lataavat ja purkavat energiaa siten, että ionit liikkuvat anodien ja katodien välillä. Lataus- ja purkausnopeudet riippuvat siitä, kuinka nopeasti ionit liikkuvat. Tällä teknologialla akkujen kokoa ja massaa voitaisiin pienentää. MIT:n tutkijaryhmä on tehnyt pienen prototyyppikennon, joka latautuu täyteen 10-20 sekunnissa. Standardilla tavalla valmistetut kennot latautuvat kuudessa minuutissa. [11]

Toimintaperiaate

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakku koostuu katodista (LiFePO4), anodista (grafiitti) ja elektrolyytistä. Anodimateriaalina käytetään grafiittia. Akkua purettaessa litiumionit liikkuvat anodista katodiin ja ladattaessa takaisin. Litiumioniakkuja kutsutaankin "keinutuoliakuiksi" edestakaisin siirtyvien ionien takia. [12]

Purettaessa anodilla tapahtuu hapettumisreaktio, jonka yhteydessä vapautuu elektroneja. Elektronit kulkevat ulkoisen piirin kautta katodille aikaansaaden sähkövirran. Katodilla tapahtuu pelkistymisreaktio. Ladattaessa reaktiot tapahtuvat päinvastaiseen suuntaan. [13]

Reaktioyhtälöt ovat :

Katodilla FePO4 + Li+ + e- ⇌ LiFePO4

Anodilla LiC ⇌ C + Li+ + e-

Hyödyt ja haitat

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakulla on samoja hyötyjä kuin muillakin litiumioni -teknologiaan pohjautuvilla akuilla,lähde?[14] mutta selvästi paras se on suuren syklinkeston ja stabiiliuden, kylmänkestonsa (toimii -20 Celsiukseen saakka) sekä turvallisuuden vuoksi. Haittapuoliin kuuluu korkeampi akun paino verrattuna muihin litiumakkutyyppeihin.

Litium-rautafosfaattiakku purkautuu muista litiumioni-akuista poiketen tasaisesti noin 3,2 V jännitteellä kunnes akku on lähes tyhjä. 3,2 V nimellisjännite mahdollistaa neljän kennon yhdistämisen sarjaan 12,8 V akuksi.

Verrattuna uusiin LiCoO2 -akkuihin LiFePO4 -akuilla on korkeammat virta- ja tehotasot mutta alhaisempi energiatiheys. [15]

Akkuteknologian käyttöönottoa ovat jarruttaneet patenttiepäselvyydet, mikä on johtanut muiden vaihtoehtoisten materiaalien tutkimiseen.[16]

Turvallisuus

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakulla on hyvä lämpökemiallinen stabiilius verrattuna muihin litiumioni -akkuihin. LiFePO4 on luonnostaan turvallisempi katodimateriaali kuin LiCoO2 tai LiPO. [17]

Kaikki litium on siirtynyt täyteen ladatun kennon katodilta pois, minkä ansiosta kennolla ei tapahdu eksotermistä reaktiota hapen vapautuessa. [18]

Katodi pysyy rakenteellisesti samankaltaisena reaktion alussa ja lopussa, minkä ansiosta kenno on rakenteellisesti stabiili. [19]

Litium-rautafosfaattiakku on huomattavasti turvallisempi käsitellä ja kestää myös väärinkäyttöä paremmin kuin muut litium-ioni -akut.[9][20]

Litium-rautafosfaattiakku on muita litium-ioniakkuja ympäristöturvallisempi, sillä sen valmistuksessa ei ole käytetty raskasmetalleja.[16]

Käyttö

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Akkutyyppi on erityisen sopiva ajoneuvoihin, kuten sähköpolkupyöriin, -skoottereihin ja -autoihin pitkän elinkaarensa, korkean purkausnopeutensa, turvallisuutensa sekä keveytensä (verrattuna lyijyakkuihin) ansiosta. Autoissa sitä ovat käyttäneet muun muassa Aptera Motors[21], Quicc![22] ja Tesla[23].

Ajoneuvojen lisäksi akkutyypillä on myös monia muita käyttötarkoituksia. Litium-rautafosfaattiakkuja käytetään muun muassa energiavarastona aurinkosähköjärjestelmissä, sähkösavukkeissa, turvavalaisimissa, aurinkokennoilla varustetuissa pienvalaisimissa kuten puutarhavalaisimissa, taskulampuissa ja RC-autoissa. Erityisesti korkeamman hintaluokan RC-autoissa akkuja suositaan niiden turvallisuuden ja korkean purkuvirran vuoksi.[24][25]

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ Jingkun Li, Zi-Feng Ma: Past and Present of LiFePO4: From Fundamental Research to Industrial Applications. Chem, 2019-01, 5. vsk, nro 1, s. 3–6. doi:10.1016/j.chempr.2018.12.012 ISSN 2451-9294 Artikkelin verkkoversio.
  2. ↑ F. M. Nizam Uddin Khan, Mohammad G. Rasul, A. S. M. Sayem, Nirmal Mandal: Maximizing energy density of lithium-ion batteries for electric vehicles: A critical review. Energy Reports, 1.10.2023, 9. vsk, s. 11–21. doi:10.1016/j.egyr.2023.08.069 ISSN 2352-4847 Artikkelin verkkoversio.
  3. ↑ http://www.solidenergysystems.com/ Viitattu 13.11.2015.
  4. ↑ http://yle.fi/uutiset/lehti_uusi_akkuteknologia_mullistaa_sahkoautomarkkinat/7593625 | Uusi akkuteknologia mullistaa sahkoautomarkkinat. Viitattu 13.11.2015.
  5. ↑ https://www.washingtonpost.com/news/innovations/wp/2015/02/23/why-the-perfect-long-lasting-battery-for-your-smartphone-seems-like-it-will-never-come/ Viitattu 13.11.2015.
  6. ↑ China’s Batteries Are Now Cheap Enough to Power Huge Shifts Bloomberg.com. 9.7.2024. Viitattu 21.11.2024. (englanniksi)
  7. ↑ A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, J. B. Goodenough: Phospho‐olivines as Positive‐Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 1.4.1997, nro 4, s. 1188–1194. doi:10.1149/1.1837571 ISSN 0013-4651 Artikkelin verkkoversio. (englanti)
  8. ↑ a b Jessica Gorman: Bigger, Cheaper, Safer Batteries: New material charges up lithium-ion battery work Science News. 23.9.2013. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  9. ↑ a b Reference Library (Articles) - House of Batteries www.houseofbatteries.com. Arkistoitu 31.1.2011. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  10. ↑ Michel Armand, John B. Goodenough, Akshaya K. Padhi, Kirakodu S. Nanjundaswamy, Christian Masquelier: Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries google.com. Viitattu 13.12.2017.
  11. ↑ New Battery Technology Charges in Seconds AENews. Viitattu 13.12.2017. (englanti)
  12. ↑ Linden, D. & Reddy, T.B.: Linden's Handbook of Batteries. McGraw-Hill, New York., 2011.
  13. ↑ Borong Wu, Yonghuan Ren, Ning Li: LiFePO4 Cathode Material. InTech, 2011. Teoksen verkkoversio (viitattu 13.12.2017). (englanti)
  14. ↑ SolidEnergy – The World's Lightest Rechargeable Cells SolidEnergy Systems. Viitattu 13.12.2017. (englanti)
  15. ↑ Custom Lithium Iron Phosphate Battery Packs | Li-Ion Phosphate Batteries – House of Batteries www.houseofbatteries.com. Arkistoitu 20.12.2017. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  16. ↑ a b Lithium Secondary – Rechargeable – Cells www.mpoweruk.com. Arkistoitu 4.1.2019. Viitattu 13.12.2017.
  17. ↑ Harding Energy | Lithium Ion batteries | Lithium Polymer | Lithium Iron Phosphate Harding Energy. Viitattu 13.12.2017. (englanti)
  18. ↑ Miikka Jokinen: Litiumtitanaattielektrodin valmistusparametrien ja partikkelirakenteen vaikutus elektrodin toimintaan, s. 17-18. Aalto-yliopisto, 2014. Teoksen verkkoversio.
  19. ↑ Jonas Fluhr,: Communication with and for Electric Vehicles. s. 202. INTECH Open Access Publisher, 2011. 884049536 ISBN 9789533072876 Teoksen verkkoversio.
  20. ↑ Juho Matikainen: Litium-polymeeri- ja litiumrautafosfaattiakkujen käyttö kannettavissa audiolaitteissa Kandidaatintyö. Lappeenranta University of Technology. Arkistoitu 2.12.2017. Viitattu 13.12.2017.
  21. ↑ Aptera unveils full specs for its flagship 2e Engadget. Viitattu 13.12.2017. (englanti)
  22. ↑ Quicc kotisivu quicc.eu. Arkistoitu 16.2.2010. Viitattu 12.8.2017.
  23. ↑ Tesla secures approval for new Model 3 with cheaper lithium iron phosphate batteries Electrek. Viitattu 26.10.2020. (englanti)
  24. ↑ Typical Applications for LiFePO4 Batteries Bioenno Power. Viitattu 13.12.2017.
  25. ↑ RC Model Reviews: Batteries for radio controlled models www.rcmodelreviews.com. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Litium-rautafosfaattiakku&oldid=22840444”