LFP-aku

LFP-aku (lühend inglise keele sõnadest lithium ferrophosphate, liitiumraudfosfaat) ehk liitiumraudfosfaataku on liitiumioonaku versioon, mille elemendi pinge on vahemikus 3,2–3,3 V. Positiivne elektrood koosneb liitiumraudfosfaadist (LiFePO₄). Negatiivne elektrood koosneb grafiidist, milles on interkaleeritud liitium. Elektroode eraldab elektrolüüdiga immutatud separaator.

LFP-akuelemendid 400 Ah, 3,25 V on ühendatud järjestikku ja paralleelselt, et luua patarei 52 V, 800 Ah, mis mahutab energiat 52 V × 0,8 kAh = 41,6 kWh

Positiivset elektroodi nimetatakse ka katoodiks, sest väljutab aku tühjendamisel elektrone:

FePO₄ + Li⁺ + e^- ⇌ LiFePO₄.

Selline aku on liitiumakude esimese põlvkonna akust – liitiumkoobaltdioksiidakust – veidi väiksema energiatihedusiga, kuid odavam ja puudub eksotermilisest reaktsioonist tulenev ülekuumenemise oht, seda ka mehaaniliste vigastuste korral.

Arendustöö ja võrdlus teiste akutüüpidega

Anorgaaniline ühend LiFePO₄ pakuti esmakordselt liitiumioonaku katoodimaterjaliks 1997. aastal. See asendab esimestes liitiumakudes kasutatavat liitiumkoobaltoksiidi.

Esialgu olid LiFePO₄-katoodid väikese elektrijuhtivusega, mis piiras võimsustihedust. Juhtivust võimaldas parandada LiFePO₄ nanoosakeste kasutamine ja süsinikuga katmine. LiFePO₄ dopeerimimine näiteks ütriumi (LiFeYPO₄) või väävli aatomitega parandab samuti tehnilisi omadusi.

Erinevalt LiCoO₂-akudest ei eraldu keemilise reaktsiooni käigus hapnikku. LiCoO₂-katoodiga liitiumioonakude puhul võib see ebasoodsates tingimustes kaasa tuua termilise läbilöögi ja akuelemendi iseenesliku süttimise.

LFP-elemendis kasutatakse ära kogu liitiumisisaldust. LiCoO₂-katoodiga akudes aga kasutatakse ainult 50–60% liitiumist, suurema protsendi korral muutuks kihiline struktuur ebastabiilseks.

Liitiumi massiosa LiFePO₄-s on umbes 4,5 massiprotsenti. Näiteks 1000 Wh energiasisaldusega LFP-aku jaoks on vaja ainult umbes 11,3 mooli (≈ 80 g) liitiumi, samas kui liitiumkoobaltakule kulub umbes 20 mooli ehk 140 g. LFP-akude energiatihedus on viidud väärtuseni 210 Wh/kg; 2015. aastal oli see umbes 140 Wh/kg.

LiFePO₄-akudel pole niisugusel tasemel mäluefekti nagu kaadmiumnikkelakudel. Selline anomaalia tühjendamisel on väga väike ja tavakasutuses ebaoluline. Pikaajalisel säilitamisel võib eeldatav eluiga lüheneda juhul, kui aku on täielikult laetud või peaaegu täielikult tühi.

Omadusi NMC-akuga võrreldes:

• väiksem energiatihedus;
• madalatel temperatuuridel aeglasem laadimine ja mahutavuse vähenemine;
• suurem ohutus (süttimisoht väga väike);
• pikem eluiga (suurem laadimistsüklite arv);
• madalam hind.

Parameetrid

• Energiatihedus (massi järgi): 90–160 W•h/kg.
• Mahuline energiatihedus 220–350 W•h/dm³.
• Tarindustihedus: 2 kg/dm³.
• Laadimistsüklite arv kuni mahutavuse 20% kaotamiseni: 2000–7000 (see ressurss sõltub suuresti laadimis- ja tühjendusvoolust, näiteks laadimisvoolu tugevusel 0,25C ületab ressurss 100% tühjendussügavusel 6000 tsüklit, voolutugevusel 1C langeb aga 3000-ni (siin väljendatakse voolutugevust mahutavuse kordsena, näiteks voolutugevus 2C on 50-ampertunnise aku puhul 2 × 50 = 100 A). Samuti sõltub ressurss tühjendamise sügavusest: kui voolu 1C ja 100% tühjenemissügavusel on ressurss 3000 tsüklit, siis 80% juures on see 4500 ja 60% juures juba 10 000 tsüklit.
• Isetühjenemine toatemperatuuril 3–5% kuus.
• Töötemperatuuride vahemik tühjendamisel –30 kuni +55 °C ja laadimisel 0 kuni 40 °C.
• Säilivusaeg kuni 15 aastat.

LFP-elemendi pingekõver laadimisel (roheline) ja tühjenemisel (punane)

• Pinge:
  • maksimaalne 3,6 V (täielikult laetud akuelemendil),
  • keskmine tööpinge 3,0–3,3 V,
  • minimaalne pinge tühjendamisel 2,0–2,5 V.

Laadimise lõpp-pinge on tavaliselt 3,6–3,65 V. Ülelaadimise eest kaitsev lülitus reageerib tavaliselt 3,8 V juures. Tühjenemise lõpp-pinged varieeruvad olenevalt tüübist ja on tavaliselt umbes 2,0 V, mõne tüübi puhul on see ka veidi kõrgem, kuni 2,5 V. Laadimis- ja tühjendusvahemikus 10–90% muutub elemendi pinge väga vähe, nagu on näha diagrammil, kus elemendi pinge on esitatud elemendi laengu funktsioonina (kujutatud on 2,3 Ah nimivõimsusega elemendi pingekõverad). Tühjenduse lõpus langeb pinge järsult. Veidi alandatud lõpp-pinge (3,4–3,5 V) laadimisel ja tühjendussügavuse piiramine mõjutavad positiivselt võimalike laadimistsüklite arvu ja seega ka kasutusiga.

Konstruktsioonivariandid

Silindrilised LFP-elemendid

Toodetakse silindrilisi ja lamedaid elemente.

• Silindrilised elemendid on peamiselt saadaval kahekohalise ampertundide vahemikus. Samuti on elemente, mis vastavad standardsete elemendisuurustele (nt AA jt) ja on mõeldud kasutamiseks kaasaskantavates seadmetes. Sagedamini kasutatakse elemente 18650 ja 26650, mille tüübitähis peegeldab ligikaudset suurust, seega 18650 tähendab läbimõõtu umbes 18 mm ja pikkust 65 mm, 26650 on läbimõõduga 26 mm ja 65 mm pikk. Toodetakse ka suuremaid elemente, näitekstüüp 38140 mõõtmetega on 38/140 mm. Üks niisugune element kaalub umbes 400 grammi ja sellel on M6 kruvikontakt. Neid elemente kasutatakse peamiselt tööstuses.
• Lamedad elemendid on saadaval laias võimsuse vahemikus fooliumelementidena ja risttahukaliste elemendiplokkide kujul.
  • Esimesed on valmistatud fooliumiga kaetud lamedate elementidena, mida kasutatakse kas akupatareides või otse toidetavasse seadmesse sisse ehitamiseks. Niisuguste elementide mahutavus jääb kümnete mAh ja kümnete Ah vahemikku.
  • Plastkorpuse ja kruvikontaktidega suured risttahukakujulised elemendiplokid (mahutavusega 20–1000 Ah) koosnevad paralleelselt ühendatud fooliumelementidest. Ka siin pole välja kujunenud tüüpmõõtmeid.

Eelised ja puudused

LFP-akudel on selged eelised pliiakude ees laadimistsükli arvu, mahutavuse, suuruse ja kaalu osas. Miinuseks on LFP-akude kõrgem hind, võrreldes elektriliselt samaväärsete pliiakudega. Sellele lisandub elementidevahelise tasakaalustamise lülitus (ingl balancer), mida näiteks pliiakude puhul pole vaja.

Eelised

• Kõrge ohutustase: LiFePO₄ on katoodimaterjalina termokeemiliselt stabiilsem kui LiCoO₂ liitiumioonakul või liitiumpolümeerakul. Kogu liitium on laetud elemendi katoodist eemaldunud, mis tähendab, et elemendis ei saa toimuda hapniku vabanemisega seotud eksotermilist reaktsiooni ega membraani sulamist.
• Võrdlemisi suur võimsustihedus pideval koormamisel vooluga 20C ja impulsskoormusel kuni 50C
• Pidev laadimisvool 0,5C kuni 3C, impulsslaadimisel kuni 6C (10 s impulssidega).
• Hea tsüklistabiilsus, näiteks 1) Sony Fortelion: 74% jääkvõimsus pärast 8000 tsüklit 100% tühjendusastmega (DoD); 2) alles 80% nimimahutavusest (NC) pärast 1000 tsüklit ja 60% mahutavust pärast 2000 tsüklit. Samuti saavutati silindrilistes elementides (18650) 85 % jääkvõimsus pärast 10 000 tsüklit 100% tühjendamisel. Umbes samalaadseid tulemusi on ka teistel tootjatel, seega on tagatud pikk kasutusiga ja vastavalt madalad kasutuskulud.
• Kõrge elektriline kasutegur (üle 91%) kogu laadimis- ja tühjenemistsükli kestel.
• Pinge suur stabiilsus laadimise ja tühjendamise protsessis.
• Lai temperatuurivahemik ladustamisel (nt –45 kuni +85 °C). Praktiline kogemus näitab, et temperatuuri alanemisel kuni umbes +10 kraadini on kasutamine võimalik ilma probleemideta. Madalamal temperatuuril suureneb voolutugevusel üle 0,5C pingelangus, kuid ilma märgatava aku mahutavuse vähenemiseta.
• Tulenevalt sobivast dopeerimisest on isetühjenemine aeglane, umbes 3–5% kuus.
• Keskkonnasõbralikkus ja ressursisäästlikkus, sest koobaltit ei kasutata.

Puudused

• Madalam nimipinge (3,2 V) kui liitiumkoobaltelementidel (3,7 V).
• Esialgu väiksem energiatihedus massiühiku kohta (90 Wh/kg) madalama pinge tõttu. Seda on vahepealse arendustöö tulemusena suurendatud väärtuseni 210 Wh/kg. Mahuline energiatihedus on vaid umbes pool liitiumkoobaltakude omast. Seetõttu on ruumivajadus sama mahutavuse korral peaaegu kaks korda suurem kui tavalisel liitiumakul.
• Lame pingekõver teeb raskemaks laetustaseme määramise.

Nagu kõigi liitiumioonakude puhul, on ohutuks tööks vajalikud tasakaalustuslülitused ja akuhaldussüsteemid (ingl battery management system, BMS), sest elemendid ei talu ülelaadimist ega sügavtühjendamist.

LMFP-aku

LMFP-aku (liitiummangaanraudfosfaataku) on LFP-aku variant, mis kasutab raudfosfaadi olemasolevat võrestruktuuri, kuid dopeeritakse seda mangaaniga. Nii saab suurendada mahutavust umbes 15% ja ühtlasi parandada tsüklistabiilsust.

Firma CATL (liitiumioonakude suurtootja Hiinas) teatas 2022. aastal, et tarnib Teslale alates 2023. aastast LMFP-akusid, kusjuures dopeerimiseks võidakse peale mangaani kasutatakse ka tsinki ja alumiiniumi.

Kasutamine

56 LFP-akuelemendist veoaku (Winston Battery / Thunder Sky LPF60AH) koos haldussüsteemiga elektriautos Hotzenblitz

LFP-aku on tänu pikale elueale, suurele koormatavusele ja turvalisusele eriti sobiv jõuallikas sõidukitele, näiteks jalgratastele, skuutritele ja autodele.

Suurimaid, kuni 30 000 Ah akupatareisid kasutatakse allveelaevades, puhvertoiteallikates ja taastuvenergia salvestamisel. Tänu oma suurele töökindlusele on LFP-akul silmapaistev positsioon võrgupinge stabiliseerimise statsionaarsetes salvestussüsteemides.

Muud kasutusvõimalused hõlmavad näiteks elektritööriistu ja raadiojuhitavaid sõidukimudeleid. Siin on muuhulgas oluline, et aku saab täis laadida 15–20 minutiga. Tavaliste liitiumpolümeerakude laadimiseks kulub sageli rohkem kui tund, kiirlaadimine aga lühendab tööiga.

Muud rakendused on sisepõlemismootorite käivitusakud, kus kasutatakse risttahukalisi LFP-plokke või koostatakse aku silindrilistest elementidest. Porsche oli esimene autotootja, kes pakkus 2010. aastal lisatasu eest LFP-käivitusakut.

Vaata ka

• Liitiumioonaku
• NMC-aku