5 differenze tra batteria ternaria e batteria al litio ferro fosfato

Le batterie ternarie sono batterie ternarie agli ioni di litio. Utilizzano litio nichel cobalto manganese (Li(NiCoMn)O₂) come materiale per l'elettrodo positivo. I precursori di questi materiali compositi ternari per elettrodi positivi sono prodotti a partire da sali di nichel, sali di cobalto e sali di manganese. I rapporti tra nichel, cobalto e manganese possono essere regolati a seconda delle esigenze. Rispetto alle batterie al litio ossido di cobalto, quelle che utilizzano materiali ternari come elettrodo positivo offrono una maggiore sicurezza.

Le batterie al litio ternarie sono adatte per batterie di potenza o piccole batterie, in particolare quelle ad alta capacità. Oggi, le celle a materiali ternari hanno sostituito le celle al litio-ossido di cobalto, precedentemente ampiamente utilizzate, trovando ampio impiego nelle batterie per laptop.

Attualmente, le due batterie agli ioni di litio più diffuse sul mercato sono le batterie al litio-ferro-fosfato e le batterie agli ioni di litio ternarie. In questo scenario, qual è la migliore, una batteria agli ioni di litio ternaria o una batteria al litio-ferro-fosfato? Analizziamone i punti di forza e di debolezza.

Batteria al litio ferro fosfato:

Batterie al litio ferro fosfato Sono realizzate con materie prime come fosforo e ferro, abbondanti nella crosta terrestre. Pertanto, l'approvvigionamento è meno limitato. Queste batterie hanno una tensione moderata (3,2 V), un'elevata capacità per unità di peso (170 mAh/g), un'elevata potenza di scarica, una capacità di ricarica rapida e una lunga durata del ciclo. Presentano inoltre una maggiore stabilità ad alte temperature e in condizioni termiche elevate rispetto ad altri tipi di batterie. Rispetto alle batterie ternarie al litio e al litio-ossido di manganese comunemente utilizzate, le batterie al litio-ferro-fosfato presentano almeno cinque vantaggi principali: maggiore sicurezza, maggiore durata, assenza di metalli rari e metalli pesanti altamente inquinanti, supporto per la ricarica rapida e ampio intervallo di temperature di esercizio.

Batteria al litio ternaria:

Batterie agli ioni di litio ai polimeri ternari utilizzano ossido di litio, nichel, cobalto e manganese (Li(NiCoMn)O₂) come materiale per l'elettrodo positivo e, in particolare, grafite come elettrodo negativo – da qui il termine "batteria al litio ternaria". Se l'elettrodo negativo è in titanato di litio, viene in genere chiamato "titanato di litio" e non appartiene al comune "materiale ternario".

Le batterie ternarie agli ioni di litio offrono un'elevata densità energetica e prestazioni cicliche migliori rispetto alle normali batterie al litio. Oggi, grazie ai continui miglioramenti nella formulazione e nella struttura, la tensione nominale di queste batterie ha raggiunto i 3,7 V e la capacità ha raggiunto o superato quella delle normali batterie al litio.

Confronto tra batteria al litio ternaria e batteria al litio ferro fosfato

Quale è più sicura, la batteria al litio ternaria o la batteria al litio ferro fosfato?

Alta temperatura:

In termini di sicurezza, le batterie al litio ferro fosfato superano le batterie al litio ternarie. Il motivo principale risiede nella loro migliore resistenza termica, poiché possono sopportare temperature fino a oltre 800 gradi. In altre parole, le batterie al litio ferro fosfato in genere non si incendiano a meno che non raggiungano temperature superiori a 800 gradi.

D'altra parte, le batterie al litio ternarie sono piuttosto diverse, con una temperatura di fuga termica che si aggira intorno ai 200 gradi. Considerando gli incidenti di incendio di veicoli a nuova energia, la maggior parte riguarda batterie al litio ternarie. Le tradizionali batterie al litio ferro fosfato, sottoposte a test di foratura, producono fumo ma non fiamme visibili e la loro temperatura superficiale raggiunge tra i 200 e i 400 gradi. Al contrario, le batterie al litio ternarie si riscaldano fino a oltre 500 gradi istantaneamente dopo essere state forate e poi iniziano a bruciare violentemente. Pertanto, nelle regioni con temperature elevate, il rischio di incendio delle batterie al litio ternarie è relativamente più elevato.

Bassa temperatura:

Le batterie al litio si indeboliscono significativamente alle basse temperature. Il limite di bassa temperatura per il litio ferro fosfato è generalmente di -20 °C, mentre le batterie al litio ternarie possono resistere a temperature fino a -30 °C. Tra 0 e -20 °C, le batterie al litio si deteriorano di circa 10 TP³T-30 TP³T, ma il declino delle batterie al litio ternarie è generalmente inferiore di 10 TP³T rispetto a quello delle batterie al litio ferro fosfato. Attualmente, molte case automobilistiche e produttori di batterie stanno sviluppando tecnologie avanzate di gestione termica per migliorare le prestazioni a bassa temperatura delle batterie di potenza.

Densità energetica: le batterie al litio ternarie hanno una densità energetica più elevata

La densità energetica delle batterie al litio ternarie varia generalmente tra 180 e 230 Wh/kg, e le batterie al litio ternarie ad alto contenuto di nichel possono facilmente raggiungere i 250 Wh/kg. Tuttavia, un elevato contenuto di nichel può aumentare l'instabilità della batteria. Le batterie al litio-ferro-fosfato, d'altra parte, hanno una densità energetica tipicamente compresa tra 140 e 160 Wh/kg, che può raggiungere al massimo i 180 Wh/kg. Le batterie a lama, un tipo di batteria al litio-ferro-fosfato, hanno una densità energetica di 140 Wh/kg nella prima generazione e potenzialmente di 180 Wh/kg nella seconda generazione.

Per essere precisi, la densità energetica delle batterie può essere suddivisa in densità energetica ponderale e densità energetica volumetrica. La prima è quella di cui si parla abitualmente, mentre la seconda riceve spesso meno attenzione, ma è ugualmente importante. Ad esempio, grazie all'innovazione strutturale, le batterie a lama hanno aumentato la loro densità energetica volumetrica da 251 Wh/L a 320 Wh/L. Sebbene la loro densità energetica ponderale non sia elevata, la loro autonomia è paragonabile a quella delle batterie al litio ternarie.

Durata di vita: le batterie al litio ferro fosfato hanno una durata maggiore

Le batterie al piombo-acido a lunga durata hanno una durata di circa 300 cicli, che può arrivare fino a 500 cicli al massimo. Le batterie al litio-ferro-fosfato hanno una durata di oltre 2000 cicli. Lo stesso peso delle batterie al piombo-acido tende a seguire lo schema "nuove per sei mesi, vecchie per sei mesi, manutenzione per altri sei mesi", per un totale di circa 1-1,5 anni al massimo. Al contrario, in condizioni simili, la durata teorica delle batterie al litio-ferro-fosfato può raggiungere i 7-8 anni.

Le batterie al litio-ferro-fosfato durano generalmente circa 8 anni. Se utilizzate nelle regioni meridionali, la loro durata può persino superare gli 8 anni. La durata teorica delle batterie al litio-ferro-fosfato supera anche i 2000 cicli di carica-scarica. Anche se caricate una volta al giorno, possono durare oltre cinque anni. In genere, per l'uso domestico quotidiano, caricandole ogni tre giorni, possono durare circa otto anni. Tuttavia, poiché le batterie al litio-ferro-fosfato hanno scarse prestazioni alle basse temperature, la loro durata è relativamente più lunga nelle regioni meridionali.

La durata utile delle batterie al litio-ferro-fosfato è di circa 5000 cicli. Ogni batteria prodotta ha un proprio numero di cicli di scarica (ad esempio, mille). Superando questo numero, la batteria raggiungerà la fine della sua vita utile. Una scarica completa può influire gravemente sull'utilizzo della batteria, quindi è fondamentale evitare una scarica eccessiva.

Le batterie al litio ternario hanno una durata di carica-scarica di circa 2000 cicli, mentre le batterie al litio ferro fosfato raggiungono in genere i 3000 cicli, ovvero 1,5 volte superiore a quella delle batterie al litio ternario. La durata di vita della batteria non si misura in anni, ma in cicli di carica-scarica. Ad esempio, dopo 2000 cicli, il decadimento della batteria è inferiore a 20%. Ciò significa che, dopo 2000 cicli, la capacità della batteria è equivalente a soli 80% rimanenti e, se continuata a essere utilizzata, continuerà a degradarsi costantemente.

Campo di applicazione

Batteria al litio ternaria: le batterie al litio ternarie, grazie alla loro elevata densità energetica, alle caratteristiche di sicurezza stabili, alle eccellenti caratteristiche elettrochimiche, come il supporto a scariche ad alta velocità, e al loro rapporto costo-efficacia, sono ampiamente utilizzate in settori delle batterie al litio su piccola scala come l'elettronica di consumo, le apparecchiature industriali e gli strumenti medicali. Mostrano inoltre un forte potenziale di sviluppo in settori come robot intelligenti, veicoli logistici AGV, droni e veicoli a nuova energia.

Batterie al litio ferro fosfato: in termini di utilizzo, le batterie al litio ferro fosfato sono adatte a scenari in cui lo spazio a disposizione è ampio, le condizioni consentono batterie di grandi dimensioni, sono richieste elevate prestazioni di sicurezza e lunghi tempi di funzionamento ininterrotti. Attualmente, le batterie al litio ferro fosfato sono utilizzate in settori quali veicoli a nuova energia, sistemi di accumulo di energia, stazioni base 5G, veicoli a due ruote, camion pesanti e navi elettriche.

Costo: costo inferiore delle batterie al litio ferro fosfato

Il materiale catodico delle batterie al litio rappresenta 501 TP3T del costo totale della batteria. Il costo totale delle batterie al litio-ferro-fosfato è inferiore di 201 TP3T rispetto a quello delle batterie al litio ternarie. Pertanto, le batterie al litio-ferro-fosfato presentano un certo vantaggio in termini di costo.

Conclusione

Le principali differenze tra la batteria al litio ferro fosfato e la batteria ternaria al litio riguardano il costo, le prestazioni a bassa temperatura, la resistenza al calore, la densità energetica e la durata.

1. Costo: le batterie al litio ferro fosfato non contengono metalli costosi come il cobalto, quindi il costo delle materie prime è inferiore, mentre il contrario vale per le batterie al litio ternarie.
2. Prestazioni a bassa temperatura: la temperatura di esercizio massima per le batterie al litio ternario è di -30 °C, mentre per le batterie al litio-ferro-fosfato è di -20 °C. Inoltre, alle stesse basse temperature, il decadimento delle batterie al litio-ferro-fosfato è più grave.
3. Resistenza al calore: come accennato in precedenza, la temperatura di fuga termica del litio ferro fosfato può raggiungere gli 800 gradi Celsius, mentre la batteria al litio ternaria raggiunge solo i 200 gradi Celsius, il che significa che le batterie al litio ferro fosfato hanno prestazioni migliori in termini di resistenza al calore.
4. Densità energetica: le batterie al litio ternarie hanno una densità energetica più elevata, il che significa che possono contenere più elettroni a parità di volume. Pertanto, a parità di capacità, il volume e il peso della batteria al litio ternaria saranno inferiori.
5. Durata: il ciclo di carica-scarica delle batterie al litio-ferro-fosfato può superare le 3500 volte, e in alcune anche le 5000, mentre il ciclo di carica delle batterie al litio ternarie è di sole 2500 volte circa. Pertanto, le batterie al litio-ferro-fosfato hanno una durata maggiore.

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