Bateria de fosfat de ferro de liti

Una bateria de fosfat de liti ferro (LiFePO4) 14500 (dreta) mostrada al costat d'un marcador de bateria (esquerra)
Energia específica	95–172 W⋅h/kg (340–620 kJ/kg)[1][2] Següent generació: 180–205 Wh/kg[3]
Densitat d'energia	227–396 L⋅h/L (820–1.430 kJ/L)[1][2]
Potència específica	Fins a 2.400 W/kg[4]
Energia/preu per al consumidor	1–4 Wh/US$[5][6]
Durabilitat temporal	> 10 anys
Durabilitat del cicle	2.500–9.000[7] cicles
Tensió nominal de la cel·la	3,2 V

La bateria de fosfat de ferro i liti (LiFePO
4 Bateria) o bateria LFP (ferrofosfat de liti) és un tipus de bateria de ions de liti que utilitza fosfat de ferro de liti (LiFePO
4) com a material càtodic, i un elèctrode de carboni grafític amb un suport metàl·lic com a ànode. A causa del seu baix cost, alta seguretat, baixa toxicitat, llarga vida útil i altres factors, les bateries LFP estan trobant diversos papers en l'ús de vehicles, aplicacions estacionàries a escala utilitària i energia de reserva. ^[8] A setembre de 2022, la quota de mercat de bateries tipus LFP per a vehicles elèctrics va arribar al 31%, i d'aquesta, el 68% provenia només dels fabricants de VE Tesla i BYD. ^[9]

El 2022, els fabricants xinesos tenien gairebé el monopoli de la producció de bateries LFP. ^[10] Amb les patents que han començat a expirar el 2022 i la demanda creixent de bateries EV més econòmiques^,[11] s'espera que la producció de tipus LFP augmenti encara més i superi les bateries de tipus níquel-manganès i òxids de cobalt (NMC). ^[12]

L'energia específica de les bateries LFP és inferior a la d'altres tipus comuns de bateries de ions de liti com el níquel-manganès cobalt (NMC) i el níquel-cobalt alumini (NCA). A partir de 2024, l'energia específica de la bateria LFP de CATL es diu que és de 205 watt-hora per quilogram (Wh/kg) a nivell de cel·la. ^[13] L'energia específica de la bateria LFP de BYD és de 150 Wh/kg. Les millors bateries NMC presenten valors d'energia específics de més de 300 Wh/kg. Cal destacar que l'energia específica de les bateries NCA "2170" de Panasonic utilitzades en el sedà mitjà de mida mitjana Model 3 de Tesla 2020 és d'uns 260 Wh/kg, que representa el 70% del seu valor "químic pur". Les bateries LFP també tenen un voltatge de funcionament més baix que altres tipus de bateries de liti-ió.

Múltiples mòduls de fosfat de liti i ferro connectats en sèrie i en paral·lel per crear un mòdul de bateria de 2800 Ah i 52 V. La capacitat total de la bateria és de 145,6 kWh. Fixeu-vos en la gran barra colectora sòlida de coure estanyat que connecta els mòduls. Aquesta barra conductora està classificada per a 700 amperes DC per acomodar els alts corrents generats en aquest sistema de 48 volts DC.Mòduls de fosfat de liti i ferro, cadascun de 700 Ah, 3,25 V. Dos mòduls estan connectats en paral·lel per crear un únic paquet de bateries de 3,25 V 1400 Ah amb una capacitat de 4,55 kWh.

• Tensió de la cel·la
  • Tensió mínima de descàrrega = 2,0–2,8 V^[14][15][16]
  • Tensió de treball = 3,0 ~ 3,3 V
  • Tensió màxima viable = 2,5 ~ 3,47 V
  • Tensió màxima de càrrega = 3,60–3,65 V^[17][15]
• Densitat d'energia gravimètrica = 95–172 Wâ‹…h/kg (340–620 kJ/kg). ^[1][2] L'última versió anunciada a finals de 2023, a principis de 2024, va fer millores significatives en la densitat energètica de 180 a 205 Wh/kg^[3] sense augmentar els costos de producció.
• Densitat d'energia volumètrica = 227–396 Wâ‹…h/L (820–1.430 kJ/L)^[1][2]
• La vida útil del cicle va de 2.500 a més de 9.000 cicles segons les condicions. ^[7] Les versions d'alta densitat energètica de nova generació tenen cicles de vida de càrrega augmentats, probablement al voltant de 15.000 cicles màxims. ^{[cal citació]}

Les bateries LFP utilitzen una química derivada del liti-ió i comparteixen molts dels avantatges i desavantatges d'altres químics d'ions de liti. Tanmateix, hi ha diferències significatives.

El ferro i els fosfats són molt comuns a l'escorça terrestre. El LFP no conté ni ^{níquel[18]} ni cobalt, tots dos amb limitacions d'oferta i cars. Com amb el liti, s'han plantejat preocupacions sobre els drets ^humans[19] i mediambientals^[20] respecte a l'ús del cobalt. També s'han plantejat preocupacions mediambientals pel que fa a l'extracció de níquel. ^[21]

Un informe de 2020 publicat pel Departament d'Energia va comparar els costos dels sistemes d'emmagatzematge d'energia a gran escala construïts amb LFP amb NMC. Va trobar que el preu per kWh de les bateries LFP era aproximadament un 6% inferior al de les bateries NMC, i va projectar que les cel·les LFP durarien aproximadament un 67% més (és a dir, més cicles). A causa de les diferències entre les característiques de la cel·la, el cost d'alguns altres components del sistema d'emmagatzematge seria una mica més alt per a LFP, però en conjunt continua sent menys costós per kWh que NMC. ^[22]

El 2020, els preus més baixos reportats de les cèl·lules LFP van ser de 80 dòlars/kWh (12,5 Wh/$) amb un preu mitjà de 137 dòlars/kWh,^[23], mentre que el 2023 el preu mitjà va baixar a 100 dòlars/kWh. ^[24] A principis de 2024, les cèl·lules LFP de mida VDA estaven disponibles per menys de 0,5 RMB/Wh (70 $/kWh), mentre que el fabricant xinès Leapmotor va declarar que compra cèl·lules LFP a 0,4 RMB/Wh (56 $/kWh) i creu que podrien baixar a 0,32 RMB/Wh (44 $/kWh). ^[25] A mitjans de 2024, les bateries LFP muntades estaven disponibles per als consumidors als EUA per uns 115 dòlars/kWh. ^[26]

La química de la LFP ofereix una vida cicliciclal considerablement més llarga que altres químics de ions de liti. En la majoria de condicions, suporta més de 3.000 cicles; en condicions òptimes, més de 10.000 cicles. Les bateries NMC suporten uns 1.000 a 2.300 cicles, depenent de les condicions. ^[7]

Les cèl·lules LFP experimenten una taxa de pèrdua de capacitat més lenta (és a dir, una vida útil més llarga) que les quimàtiques de bateries de ions de liti com el cobalt (LiCoO
2), espinela de manganès (LiMn
2O
4), bateries de polímer d'ions de liti (bateria LiPo) o bateries d'ions de liti. ^[27][28]

A causa de la sortida nominal de 3,2 V, es poden connectar quatre cel·les en sèrie per a un nominal de 12,8 V. Això s'acosta al voltatge nominal d'una bateria de plom-àcid de sis cèl·lules. Juntament amb les bones característiques de seguretat de les bateries LFP, això fa que la LFP sigui un bon substitut potencial per a les bateries de plom-àcid en aplicacions com l'automoció i la solar, sempre que els sistemes de càrrega estiguin adaptats per no danyar les cèl·lules LFP mitjançant tensions de càrrega excessives (més de 3,6 volts DC per cel·la mentre estan carregades), compensació de tensió basada en la temperatura, intents d'equalització o càrrega contínua per degoteig. Les cèl·lules LFP han d'estar almenys equilibrades inicialment abans d'assemblar el paquet i també cal implementar un sistema de protecció per garantir que cap cèl·lula es pugui descarregar per sota d'un voltatge de 2,5 V, o en la majoria de casos es produiran danys greus, a causa de la desintercalació irreversible de LiFePO₄ en FePO₄. ^[29]

Un avantatge important de LiFePO
4 sobre altres químics de ions de liti hi ha l'estabilitat tèrmica i química, que contribueix a una millor seguretat de les bateries. ^[30][20][31] Especialment en comparació amb materials de càtode d'òxid en capes com l'òxid de cobalt de liti (LiCoO
2) i NMC, que alliberen oxigen en escalfar,^[32][33] El LFP generalment té temperatures de descomposició més altes. ^[34][35]

Les bateries LFP tenen una propietat de seguretat significativa; En una condició activa estable, la composició química no es combustió quan s'exposa a l'aire ambiental normal, és menys propens a provocar un incendi i es considera incombustible, amb una bona estabilitat tèrmica i química general. Tanmateix, les bateries LFP poden, malauradament, encara agafar foc en condicions extremes similars a moltes altres bateries, per causes com problemes de sobrecàrrega, temperatures tèrmiques molt altes o danys físics catastròfics.

La densitat energètica (energia/volum) d'una bateria nova LFP el 2008 era aproximadament un 14% inferior a la d'una nova LiCoO
2 bateria. ^[36] Com que la taxa de descàrrega és un percentatge de la capacitat de la bateria, es pot aconseguir una taxa més alta utilitzant una bateria més gran (més amperes hora) si s'han d'utilitzar bateries de baix corrent.

Un repte operatiu principal amb les bateries LFP és estimar amb precisió el seu estat de càrrega (SOC). Les cèl·lules LFP presenten una tensió de circuit obert (OCV) excepcionalment plana entre aproximadament el 20% i el 80% de SOC, cosa que significa que la tensió de la cel·la es manté gairebé constant durant la major part del seu rang de funcionament. Aquesta característica fa que l'estimació tradicional basada en tensió sigui poc fiable, fent que els sistemes estàndard de gestió de bateries (BMS) pateixin deriva acumulada de mesura al llarg del temps.

Aquesta limitació de diagnòstic i seguiment es pot mitigar mitjançant inspeccions en línia d'espectroscòpia electroquímica passiva d'impedància (EIS passiva). Tot i que tradicionalment s'utilitzen per a proves de laboratori, els marcs d'EIS passius adaptatius com els implementats a CellPassport permeten un seguiment continu de paràmetres interns durant el desplegament actiu. La utilitat de l'EIS passiu en línia en perfils operatius s'ha demostrat de manera similar en el seguiment de l'estat i el comportament d'envelliment d'altres sistemes basats en liti d'alta potència sota càrregues dinàmiques de vehicles en el món real. ^[37]

Cèl·lules LFP en un paquet de bateries casolà

Les bateries LFP són comunes en sistemes d'emmagatzematge estacionari a causa dels avantatges en cost, seguretat i vida útil del cicle. El 2025, les bateries LFP tenien aproximadament el 85% de la quota de mercat d'emmagatzematge estacionari. ^[38] En aplicacions estàtiques, la menor densitat energètica de la LFP en comparació amb altres químics d'ions de liti és menys un desavantatge.

Les bateries LFP s'utilitzen en molts vehicles elèctrics a causa del seu cost, estabilitat tèrmica i longevitat. Tanmateix, els vehicles de gamma alta normalment utilitzen la química NMC a causa del seu rendiment més alt. El 2025, la quota de mercat de GWh per a bateries LFP en turismes i vehicles lleugers era del 79% a la Xina, 13% a Europa, 5% a Amèrica del Nord i 57% a la resta del món. ^[39]

Al setembre de 2022, les bateries LFP tenien una quota de mercat del 31% en el mercat de bateries per a vehicles elèctrics. D'aquesta quota, el 68% va ser desplegat per dues empreses, Tesla i BYD. ^[40]

• Chevrolet va utilitzar una bateria LFP de 21,3 kWh al model Spark EV de l'any model 2014. Les cel·les de la bateria van ser fabricades per A123 Systems. ^[41]
• Renault utilitza una bateria LFP de 27,5 kWh en la quarta generació del Twingo, només elèctrica, venuda a partir del 2026. ^[42]
• Tesla Motors utilitza bateries LFP en tots els models estàndard 3 i Y fabricats després d'octubre de 2021^[43], excepte en vehicles de gamma estàndard fabricats amb cel·les 4680 a partir de 2022, que utilitzen una química NMC. ^[44]

Alguns cigarrets electrònics utilitzen aquest tipus de piles. Altres aplicacions inclouen sistemes elèctrics ^marins[45] i propulsió, llanternes, models radiocontrolats, equips portàtils accionats per motors, equips de ràdio aficionat, sistemes de sensors ^{industrials[46]} i il·luminació d'emergència. ^[47]

LiFePO
4 és un mineral natural conegut com a trifilita. Arumugam Manthiram i John B. Goodenough van ser els primers a identificar la classe polianiònica de materials càtodes per a bateries de ions de liti. ^[48][49][50] LiFePO
4 posteriorment va ser identificat com un material de càtode pertanyent a la classe polianion per a ús en bateries el 1996 per Padhi et al. ^[51][52] Extracció reversible de liti de LiFePO
4 i la inserció de liti a FePO
4 es va demostrar. A causa del seu baix cost, no toxicitat, abundància natural de ferro, excel·lent estabilitat tèrmica, característiques de seguretat, rendiment electroquímic i capacitat específica (170 mA·h/g, o 610 C/g), ha guanyat una acceptació considerable al mercat. ^[53][54]

El principal obstacle per a la comercialització era la seva intrínsecament baixa conductivitat elèctrica. Aquest problema es va superar reduint la mida de les partícules, recobrint el LiFePO
4 partícules amb materials conductors com nanotubs de carboni,^[55][56] o ambdós. Michel Armand i els seus col·laboradors d'Hydro-Québec i la Université de Montréal van desenvolupar aquest enfocament el 2015. ^{[57] [58][59]} Un altre enfocament del grup de Yet Ming Chiang al MIT consistia en el dopatge^[53] LFP amb cations de materials com alumini, niobi i zirconi.

Els elèctrodes negatius (ànode, a la descàrrega) fets de coque de petroli es van utilitzar en les primeres bateries de ions de liti; els tipus posteriors utilitzaven grafit natural o sintètic. ^[60]