В большинстве передовых электромобилей используются литиевые аккумуляторы, катоды которых содержат никель, марганец, кобальт (N, M, C). Плотность энергии у них составляет около 270 Вт·ч/кг, что позволяет проезжать на одной зарядке 400-500 км. Литиевые аккумуляторы, в катодах которых содержится фосфат лития-железа (LFP), менее распространены в электромобилях. Плотность энергии в ячейках LFP не превышает 180 Вт·ч/кг, поэтому дальность пробега снижается в полтора-два раза. Конечно, если сравнивать аккумуляторные батареи примерно одинакового веса и габаритов. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы распространены в электромобилях начального уровня, где фактор цены важнее дальности хода. Кроме того, технология LFP широко применяется там, где небольшой дополнительный вес не имеет значения, а важна безопасность. Например, в вилочных погрузчиках, промышленных тележках, электробусах, электропоездах, системах хранения энергии. Меньшая плотность энергии не приводит к стремительному тепловому разгону при повреждении или поломке аккумуляторных батарей. Это значит, что риск пожаров снижается.
Проблемы технологии NMC
- Производство аккумуляторных элементов NMC становится дорогим. Никель и кобальт добываются преимущественно в России и Конго. Санкции против России и ненадежная добыча в Конго заставляют промышленность искать альтернативы.
- Литиевые батареи NMC подвержены тепловому разгону, что повышает риск возгорания техники.
- Ячейки на основе никеля, марганца и кобальта служат 1000-2000 циклов. На практике это примерно половина ожидаемого срока службы электрического транспортного средства. Иными словами, владельцам электромобиля придется хотя бы один раз заменять литиевую батарею.
Как технология LFP решает проблемы
Со своей стороны, LFP-аккумуляторы имеют много преимуществ перед NMC, включая изобилие доступного сырья, низкую стоимость, высокий порог теплового разгона, срок службы 2000-7000 циклов. Литий-железо-фосфатные подвержены меньшей деградации при высоких температурах или высоких скоростях зарядки-разрядки. Это означает, что LFP лучше подходят для мощной техники и систем быстрой зарядки.Качественные литий-железо-фосфатные батареи способны прослужить не меньше, чем транспортное средство, в котором они установлены. Например, в 2020 году журнал Journal of the Electrochemical Society (2020) опубликовал статью о том, что элементы LFP способны выдержать до 5 раз больше циклов заряда, чем NMC.
Что касается недостатков, то литиевые аккумуляторы LFP страдают от зарядки на морозе. Инженеры пытаются решить эту проблему путем регулирования температуры с помощью платы BMS, но зарядка при отрицательных температурах занимает больше времени.
Ликвидация разрыва в плотности энергии
Проблема плотности энергии аккумуляторов LFP решаема, поскольку лежит на уровне ячеек. Литий-железо-фосфатные элементы менее склонны к тепловому разгону, поэтому их можно плотнее упаковать. Производители начинают широко использовать призматические элементы вместо цилиндрических, что повышает общую емкость и снижает вес аккумуляторной батареи. Производители электрического транспорта также переходят на технологию «ячейка в раме» или «ячейка в корпусе». Это также дополнительно снижает вес и габариты литиевой батареи. Таким образом, разрыв в плотности энергии на уровне упаковки элементов становится менее значительным.Например, компания Advanced Cell Engineering планирует выпуск в 2023 году LFP-элемента в призматическом корпусе очень большого формата (VLF). Плотность энергии в тяговой батарее с такими ячейками возрастет до 250 Вт·ч/кг.
В прошлом году компания Tesla одной из первых начала переходить на аккумуляторы LFP. Благодаря эффективной трансмиссии и легкой конструкции, автомобилю Tesla требуется меньше энергии для передвижения. Автомобили стандартного диапазона теперь оснащаются литиевыми батареями LFP, хотя в высокопроизводительных моделях пока еще используются NMC.
Будущее аккумуляторов LFP
Порой изменения в экономике, политике и технологиях создают идеальный шторм, который изменяет целую индустрию. Возможно, это происходит с литиевыми аккумуляторами LFP, поскольку рыночные силы, политические решения и технические достижения продолжают делать их более привлекательными для производителей и потребителей.