باتری‌های فسفات آهن لیتیوم در بازار خودروهای برقی محبوبیت پیدا می‌کنند

فناوری باتری خودروهای برقی به سرعت در حال پیشرفت است و انواع مختلفی از شیمی‌های لیتیوم-یون در حال ظهور هستند—از اکسید کبالت لیتیوم (LCO) و اکسید منگنز لیتیوم (LMO) گرفته تا اکسید آلومینیوم نیکل کبالت لیتیوم (NCA). این باتری‌ها معمولاً بر اساس مواد کاتدی خود نام‌گذاری می‌شوند، جایی که یون‌های لیتیوم در هنگام تخلیه جریان می‌یابند. اما چرا خودروهای برقی به انواع باتری‌های زیادی نیاز دارند؟

فرمولاسیون‌های مختلف باتری برای بهینه‌سازی معیارهای عملکرد خاص—خواه طول عمر باتری، حداکثر سرعت شارژ یا چگالی انرژی—بهینه شده‌اند. انتخاب تا حد زیادی به الزامات کاربرد بستگی دارد. به عنوان مثال، باتری‌های LMO دارای مقاومت داخلی بسیار کمی برای شارژ سریع هستند، اما طول عمر کوتاه‌تری دارند. در حال حاضر، باتری‌های نیکل منگنز کبالت (NMC) و NCA با متعادل کردن نیکل و کبالت برای افزایش طول عمر و چگالی انرژی، بر بخش خودروهای برقی تسلط دارند. با این حال، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) به عنوان یک جایگزین قدرتمند در حال ظهور هستند.

با فرمول شیمیایی LiFePO₄ (لیتیوم، آهن، فسفات)، باتری‌های LFP مزایای متمایزی را در مقایسه با همتایان NMC و NCA ارائه می‌دهند:

• بهره‌وری هزینه: هزینه‌های تولید LFP به طور قابل توجهی کمتر است (~98.50 دلار در هر کیلووات ساعت در مقابل 120.30 دلار برای NCA)، که به طور بالقوه خودروهای برقی را مقرون به صرفه‌تر می‌کند.
• طول عمر بیشتر: باتری‌های LFP چرخه‌های شارژ بیشتری را تحمل می‌کنند، که باعث می‌شود تسلا شارژ 100٪ را توصیه کند (در مقابل 80٪ برای باتری‌های مبتنی بر نیکل).
• مقاومت در برابر شارژ سریع: ساختار کریستالی سه بعدی آن‌ها در برابر شارژ ولتاژ بالا/گرما بهتر از باتری‌های NMC/NCA مقاومت می‌کند.
• ایمنی: آستانه فرار حرارتی LFP (270 درجه سانتی‌گراد) بسیار بیشتر از NMC (210 درجه سانتی‌گراد) و NCA (150 درجه سانتی‌گراد) است و خطر آتش‌سوزی را کاهش می‌دهد.
• پایداری: ترکیب بدون کبالت/نیکل انتشار کربن را 15-25٪ کاهش می‌دهد و از شیوه‌های استخراج بحث‌برانگیز جلوگیری می‌کند.

پیوندهای قوی Fe-PO LFP در برابر آزاد شدن اکسیژن تحت فشار (اتصال کوتاه، گرمای بیش از حد) مقاومت می‌کنند و از فرار حرارتی مؤثرتر از باتری‌های مبتنی بر کبالت جلوگیری می‌کنند.

علیرغم مزایا، باتری‌های LFP مصالحه‌ای را ارائه می‌دهند:

• چگالی انرژی کمتر: بسته‌های LFP حدود 30٪ انرژی کمتری نسبت به معادل‌های NCA ذخیره می‌کنند و برای محدوده معادل به باتری‌های بزرگتر/سنگین‌تری نیاز دارند.
• محدودیت‌های هوای سرد: زیر -20 درجه سانتی‌گراد (-4 درجه فارنهایت)، باتری‌های LFP شارژ کندتری را به دلیل کاهش رسانایی و انتشار یون لیتیوم نشان می‌دهند.

تسلا مدل‌های Standard Range را در سال 2021 (چین) و 2022 (ایالات متحده) به LFP منتقل کرد. فورد قصد دارد تا سال 2024 LFP را برای مدل‌های اروپایی Mustang Mach-E و مدل‌های منتخب F-150 اتخاذ کند. ریویان ابتدا LFP را در ون‌های تحویل آمازون و پس از آن در کامیون‌های با محدوده استاندارد پیاده‌سازی خواهد کرد. شورولت Bolt EV بازطراحی شده جنرال موتورز و مدل‌های 2025 BMW نیز از فناوری LFP استفاده خواهند کرد.

مشاهدات از مدل‌های تسلا نشان می‌دهد:

• باتری‌های LFP در دماهای بالاتر (~70 درجه فارنهایت در مقابل ~60 درجه فارنهایت NCA) برای محدوده بهینه به اوج می‌رسند.
• مدل‌های 3 با محدوده استاندارد (LFP) به طور مداوم به محدوده‌های رتبه‌بندی شده EPA دست می‌یابند تا انواع Long Range/Performance.

مطالعات نشان می‌دهد که چرخه‌های LFP 2-4 برابر بیشتر از باتری‌های NMC دوام می‌آورند، با حداقل تخریب از شارژ کامل.

بله—آستانه فرار حرارتی بالاتر آن‌ها (270 درجه سانتی‌گراد در مقابل 150 درجه سانتی‌گراد NCA) خطر آتش‌سوزی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، اگرچه آتش‌سوزی باتری‌های لیتیومی همچنان بسیار نادر است.

در حالی که تسلا شارژ کامل را برای LFP به دلیل مقاومت آن توصیه می‌کند، حفظ شارژ 80-85٪ همچنان طول عمر را برای همه باتری‌های لیتیوم-یون بهینه می‌کند.

سرعت شارژ در دماهای زیر صفر بدون پیش‌شرط کاهش می‌یابد، اگرچه به‌روزرسانی‌های مدیریت حرارتی ممکن است این موضوع را کاهش دهد.

بله—حذف کبالت/نیکل وابستگی به عملیات استخراج با نگرانی‌های بشردوستانه را کاهش می‌دهد و از زنجیره‌های تامین داخلی پشتیبانی می‌کند.