5 diferencias entre baterías ternarias y de fosfato de hierro y litio

Las baterías ternarias son baterías ternarias de iones de litio. Utilizan litio-níquel-cobalto-manganeso (Li(NiCoMn)O₂) como material del electrodo positivo. Los precursores de estos materiales compuestos ternarios para el electrodo positivo se producen a partir de sales de níquel, cobalto y manganeso. Las proporciones de níquel, cobalto y manganeso se pueden ajustar según sea necesario. En comparación con las baterías de óxido de litio-cobalto, las que utilizan materiales ternarios como electrodo positivo ofrecen mayor seguridad.

La batería ternaria de litio es adecuada para baterías eléctricas o pequeñas, especialmente las de alta capacidad. Actualmente, las celdas ternarias han reemplazado a las celdas de óxido de cobalto y litio, ampliamente utilizadas anteriormente, y se utilizan ampliamente en baterías para portátiles.

Actualmente, las dos baterías de iones de litio más populares en el mercado son las de fosfato de hierro y litio y las ternarias. En este caso, ¿cuál es mejor: una ternaria o una de fosfato de hierro y litio? Analicemos sus ventajas y desventajas.

Batería de fosfato de hierro y litio:

Baterías de fosfato de hierro y litio Se fabrican a partir de materias primas como fósforo y hierro, abundantes en la corteza terrestre. Por lo tanto, su suministro es más accesible. Estas baterías tienen un voltaje moderado (3,2 V), alta capacidad por unidad de peso (170 mAh/g), alta potencia de descarga, capacidad de carga rápida y una larga vida útil. Además, presentan mayor estabilidad en condiciones térmicas y de temperatura elevadas en comparación con otros tipos de baterías. En comparación con las baterías ternarias de litio y óxido de manganeso de litio de uso común, las baterías de fosfato de hierro y litio presentan al menos cinco ventajas principales: mayor seguridad, mayor vida útil, ausencia de metales raros y metales pesados altamente contaminantes, compatibilidad con carga rápida y un amplio rango de temperaturas de funcionamiento.

Batería de litio ternaria:

Baterías de iones de litio de polímero ternario Utilizan óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (Li(NiCoMn)O₂) como material del electrodo positivo, y específicamente, grafito como electrodo negativo; de ahí el término "batería de litio de potencia ternaria". Si el electrodo negativo es titanato de litio, se suele denominar "titanato de litio" y no pertenece al "material ternario" común.

Las baterías ternarias de iones de litio presentan una alta densidad energética y un mejor rendimiento cíclico que las baterías de litio convencionales. Actualmente, gracias a las mejoras continuas en su formulación y estructura, su voltaje nominal ha alcanzado los 3,7 V y su capacidad ha igualado o superado el nivel de las baterías de litio convencionales.

Comparación entre la batería de litio ternaria y la batería de fosfato de hierro y litio

¿Cuál es más segura, la batería ternaria de litio o la batería de fosfato de hierro y litio?

Temperatura alta:

En términos de seguridad, las baterías de fosfato de hierro y litio superan a las baterías ternarias de litio. La razón principal radica en su mayor resistencia térmica, ya que pueden soportar temperaturas de hasta más de 800 grados. En otras palabras, las baterías de fosfato de hierro y litio generalmente no se incendian a menos que alcancen temperaturas superiores a 800 grados.

Por otro lado, las baterías ternarias de litio son bastante diferentes, ya que su temperatura de desbordamiento térmico ronda los 200 grados. Al analizar los incidentes de incendios en vehículos de nuevas energías, la mayoría se relacionan con baterías ternarias de litio. Las baterías tradicionales de fosfato de hierro y litio, al someterse a pruebas de perforación, muestran humo, pero no llamas visibles, y su temperatura superficial oscila entre 200 °C y 400 °C. En cambio, las baterías ternarias de litio se calientan a más de 500 grados inmediatamente después de ser perforadas y luego comienzan a arder violentamente. Por lo tanto, en regiones con altas temperaturas, el riesgo de incendio en baterías ternarias de litio es relativamente mayor.

Baja temperatura:

Las baterías de litio se debilitan significativamente a bajas temperaturas. El límite de baja temperatura para el fosfato de hierro y litio es generalmente de -20 °C, mientras que la batería de litio ternaria puede soportar temperaturas de hasta -30 °C. Entre 0 y -20 °C, las baterías de litio se deterioran aproximadamente entre 10 y 30 °C, pero la degradación de la batería de litio ternaria es generalmente 10 y 30 °C menor que la del fosfato de hierro y litio. Actualmente, muchos fabricantes de automóviles y de baterías están desarrollando tecnologías avanzadas de gestión térmica para mejorar el rendimiento de las baterías a baja temperatura.

Densidad de energía: Las baterías de litio ternarias tienen mayor densidad de energía

La densidad energética de las baterías ternarias de litio generalmente oscila entre 180 y 230 Wh/kg, y las baterías ternarias de litio con alto contenido de níquel pueden alcanzar fácilmente los 250 Wh/kg. Sin embargo, un alto contenido de níquel puede aumentar la inestabilidad de la batería. Por otro lado, las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una densidad energética típicamente de entre 140 y 160 Wh/kg, que puede alcanzar hasta 180 Wh/kg como máximo. Las baterías Blade, un tipo de batería de fosfato de hierro y litio, tienen una densidad energética de 140 Wh/kg en la primera generación y potencialmente de 180 Wh/kg en la segunda.

Para ser precisos, la densidad energética de la batería se puede clasificar en densidad energética ponderal y densidad energética volumétrica. La primera es de la que solemos hablar, mientras que la segunda suele recibir menos atención, pero es igualmente importante. Por ejemplo, mediante innovación estructural, las baterías de hoja han aumentado su densidad energética volumétrica de 251 Wh/L a 320 Wh/L. Si bien su densidad energética ponderal no es alta, su autonomía es comparable a la de las baterías ternarias de litio.

Vida útil: las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una vida útil más larga

Las baterías de plomo-ácido de larga duración tienen una vida útil de aproximadamente 300 ciclos, llegando a un máximo de 500. Las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una vida útil de más de 2000 ciclos. Con el mismo peso, las baterías de plomo-ácido tienden a seguir el patrón de "nuevas durante medio año, viejas durante medio año, mantenimiento durante otro medio año", lo que suma un total de solo entre 1 y 1,5 años como máximo. Por el contrario, en condiciones similares, la vida útil teórica de las baterías de fosfato de hierro y litio puede alcanzar los 7 u 8 años.

Las baterías de fosfato de hierro y litio suelen durar unos 8 años. Si se utilizan en regiones del sur, su vida útil puede incluso superar los 8 años. La vida útil teórica de las baterías de fosfato de hierro y litio también supera los 2000 ciclos de carga y descarga. Incluso cargándolas una vez al día, pueden durar más de cinco años. Normalmente, para el uso doméstico diario, cargándolas cada tres días, pueden durar aproximadamente ocho años. Sin embargo, dado que las baterías de fosfato de hierro y litio no funcionan bien a bajas temperaturas, su vida útil es relativamente mayor en las regiones del sur.

La vida útil de las baterías de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 5000 ciclos. Cada batería producida tiene su propio número de ciclos de descarga (por ejemplo, mil). Si se supera este número, la batería alcanzará el final de su vida útil. Una descarga completa puede afectar gravemente el uso de la batería, por lo que es crucial evitar una descarga excesiva.

Las baterías ternarias de litio tienen una vida útil de aproximadamente 2000 ciclos de carga y descarga, mientras que las de fosfato de hierro y litio suelen ser de 3000, 1,5 veces mayor. La vida útil de las baterías no se mide en años, sino en tiempos de carga y descarga. Por ejemplo, después de 2000 ciclos, su capacidad es inferior a 20%. Esto significa que, después de 2000 ciclos, la capacidad restante de la batería es equivalente a tan solo 80% y, si se continúa utilizando, se degradará de forma constante.

Rango de aplicación

Batería de litio ternaria: Gracias a su alta densidad energética, características de seguridad estables, excelentes características electroquímicas (como la capacidad de soportar descargas de alta velocidad) y su rentabilidad, las baterías de litio ternarias se utilizan ampliamente en el sector de las baterías de litio a pequeña escala, como la electrónica digital de consumo, los equipos industriales y los instrumentos médicos. También presentan un gran potencial de desarrollo en áreas como robots inteligentes, vehículos logísticos AGV, drones y vehículos de nuevas energías.

Baterías de fosfato de hierro y litio: En cuanto a su uso, son adecuadas para espacios amplios, condiciones que permiten baterías de gran volumen, se requiere un alto nivel de seguridad y un funcionamiento prolongado e ininterrumpido. Actualmente, se utilizan en áreas como vehículos de nuevas energías, almacenamiento de energía, estaciones base 5G, vehículos de dos ruedas, camiones pesados y barcos eléctricos.

Costo: Menor costo de la batería de fosfato de hierro y litio

El material del cátodo de las baterías de litio representa 501 TP³T del coste total de la batería. El coste total de las baterías de fosfato de hierro y litio es 201 TP³T menor que el de las baterías de litio ternarias. Por lo tanto, las baterías de fosfato de hierro y litio presentan una cierta ventaja en cuanto a coste.

Conclusión

Las principales diferencias entre el fosfato de hierro y litio y la batería de litio ternaria están en el costo, el rendimiento a baja temperatura, la resistencia al calor, la densidad de energía y la vida útil.

1. Costo: Las baterías de fosfato de hierro y litio no contienen metales costosos como el cobalto, por lo que el costo de las materias primas es menor, mientras que lo opuesto es cierto para la batería de litio ternaria.
2. Rendimiento a bajas temperaturas: La temperatura de trabajo extrema para las baterías ternarias de litio es de -30 °C, mientras que para las baterías de fosfato de hierro y litio es de -20 °C. Además, en las mismas condiciones de baja temperatura, la degradación de las baterías de fosfato de hierro y litio es más severa.
3. Resistencia al calor: como se mencionó anteriormente, la temperatura de fuga térmica del fosfato de hierro y litio puede alcanzar los 800 grados Celsius, mientras que la batería de litio ternaria solo alcanza los 200 grados Celsius, lo que significa que las baterías de fosfato de hierro y litio funcionan mejor en resistencia al calor.
4. Densidad energética: Las baterías ternarias de litio tienen una mayor densidad energética, lo que significa que pueden albergar más electrones en el mismo volumen. Por lo tanto, con la misma capacidad, su volumen y peso serán menores.
5. Vida útil: El ciclo de carga y descarga de las baterías de fosfato de hierro y litio puede alcanzar más de 3500 ciclos, e incluso hasta 5000, mientras que el de las baterías ternarias de litio es de tan solo unas 2500 veces. Por lo tanto, las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una vida útil más larga.

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