BATERIAS DE LÍTIO ÍON - FOSFATO DE LÍTIO FERRO (LIFEPO4) - LFP
Existem no mercado várias famílias de baterias de íons de lítio. A maioria dos consumidores está familiarizada apenas com baterias de lítio construídas a partir de óxido de cobalto, óxido de manganês e óxido de níquel, cuja tensão nominal é 3,7V.
Porém existe no mercado uma família de baterias de fosfato de lítio ferro, com tensão nominal de 3,2V. Essas baterias são comumente chamadas de LiFe (lítio ferro) ou fosfato de lítio ferro (LiFePO4).
Em 1996, a Universidade do Texas (e outros colaboradores) descobriram o fosfato como material catódico para baterias de lítio recarregáveis.
As baterias recarregáveis de lítio ferro são mais seguras, e tem vantagens sobre outras baterias de lítio. A bateria de lítio ferro oferece bom desempenho eletroquímico com baixa resistência.
Isto é possível com o material de cátodo de fosfato de nano escala.
Os principais benefícios são alta corrente nominal e longa vida útil, além de boa estabilidade térmica, maior segurança e maior tolerância quando usada acima das especificações.
A bateria de lítio ferro é mais tolerante às condições de carga total e é menos estressada do que outros sistemas de lítio íon se mantidos em alta tensão por um tempo prolongado.
Em contrapartida, sua menor tensão nominal de 3,2V/célula reduz a energia específica abaixo da bateria de lítio íon à base de cobalto. Como a maioria das baterias, para a bateria de lítio ferro, a temperatura fria reduz o desempenho e a temperatura elevada do armazenamento encurta a vida de útil.
A bateria de lítio ferro tem uma maior auto descarga do que outras baterias de lítio íon, o que pode causar problemas de balanceamento em packs de baterias com células envelhecidas. A bateria de lítio ferro é usada frequentemente para substituir a bateria de chumbo-ácido usada em automóveis.
Quatro células em série produzem 12,80V, uma tensão semelhante a seis células de chumbo-ácido em série que produzem 12V. Os veículos carregam as baterias de chumbo-ácido até 14,40V (2,40V/célula). Com quatro células de lítio ferro em série, cada célula com tensão máxima de carga em 3,60V tem-se a mesma tensão máxima de carga das baterias de chumbo-ácido que é de 14,4V.
A bateria de lítio ferro é tolerante a alguma sobrecarga. Entretanto, manter a tensão em 14,40V por um tempo prolongado, como a maioria de veículos faz em uma movimentação longa, pode forçar a bateria. A bateria de lítio ferro usada para motores de arranque automotivos, pode apresentar desempenho baixo em temperaturas frias. Este novo tipo de bateria de lítio é inerentemente não combustível, porém com uma densidade de energia menor. As baterias de lítio ferro não são apenas mais seguras, elas têm muitas vantagens sobre outras químicas de lítio, particularmente para aplicações de alta potência.
Em comparação com o chumbo-ácido e outras baterias de lítio, as baterias de lítio ferro oferecem vantagens significativas, incluindo maior eficiência de descarga e carga, maior vida útil e capacidade de ciclo profundo, mantendo o desempenho. As baterias de lítio ferro muitas vezes vêm com um preço mais alto, mas um custo muito melhor ao longo da vida do produto, a manutenção mínima e a substituição pouco frequente fazem delas um investimento que vale a pena e uma boa solução. Em contrapartida, sua menor tensão nominal de 3,2V/célula reduz a energia específica abaixo da bateria de lítio íon à base de cobalto.
Figura 1 – Bateria LiFePO4
Embora as baterias de lítio ferro (LiFePO4) não sejam exatamente novas, elas estão apenas começando a ganhar tradição nos mercados comerciais globais.
As baterias de íons de lítio são chamadas de um tipo de bateria de “cadeira de balanço”: elas movem íons, neste caso íons de lítio, do negativo para o positivo ao descarregar, e de volta ao carregar. A figura 1 mostra o que acontece dentro de cada célula.
As bolinhas vermelhas são os íons de lítio, que se movem para frente e para trás entre os eletrodos negativo e positivo
Do lado esquerdo está o eletrodo positivo, construído a partir de fosfato de lítio-ferro (LiFePO4). Isso explica o nome desse tipo de bateria. Os íons de ferro e fosfato formam uma grade que prende os íons de lítio.
Quando a célula está sendo carregada, esses íons de lítio são puxados através da membrana de polímero no meio, para o eletrodo negativo à direita. A membrana é feita de um tipo de polímero (plástico), com muitos minúsculos poros, facilitando a passagem dos íons de lítio.
No lado negativo, encontramos uma treliça feita de átomos de carbono, que pode prender e segurar os íons de lítio que atravessam.
A descarga da bateria faz o mesmo ao contrário: à medida que os elétrons fluem pelo eletrodo negativo, os íons de lítio voltam a se mover, através da membrana, de volta para a rede ferro-fosfato. Eles são novamente armazenados no lado positivo até que a bateria seja carregada novamente.
A figura 1 mostra uma bateria de lítio ferro quase totalmente descarregada. Quase todos os íons de lítio estão do lado do eletrodo positivo.
Uma bateria totalmente carregada teria esses íons de lítio todos armazenados dentro do carbono do eletrodo negativo.
No mundo real, as células de lítio ferro são constituídas de camadas muito finas de lâminas alternadas de alumínio-polímero-cobre, com os produtos químicos colados nelas.
Figura 2 – Formato construtivo da bateria de lítio ferro
Muitas vezes eles são enrolados como um rocambole e colocados em uma vasilha de aço. As baterias de lítio íon de 12 volts são feitas de muitas dessas células, conectadas em série e em paralelo para aumentar a capacidade de tensão e de ampère-hora.
As principais características das baterias de lítio ferro são:
- Cátodo LiFePO4 e ânodo de grafite
- Abreviatura: LFP ou li-fosfato ou LiFePO4
- Tensão Nominal: 3,20V (3,30V)
- Faixa de operação típica: 2.5-3.65V/célula
- Energia específica (capacidade): 90-120Wh/kg
- Carga: 1C típico até 3,65V
- Tempo de carga típico: 3 horas
- Descarga: 1C típica, 25C em algumas células
- Descarga pulsada: 40A (2s) com tensão de corte de 2,50V (menor que 2V causa danos)
- Vida útil: 1000-2000 ciclos (relacionado à profundidade de descarga, temperatura)
- Fuga térmica 270°C. Bateria muito segura, mesmo que totalmente carregada. Um dos sistemas de lítio íon mais seguros
- Auto descarga elevada
