Cientista-chefe da BYD: As baterias de fosfato de ferro e lítio LiFePO4 não serão eliminadas dentro de 20 anos

NotíciasProcesso de produção e tecnologia de produção de baterias de fosfato de ferro-lítio LiFePO4

8 de outubro de 2024

"O fosfato de lítio e ferro (LFP) baterias pode não ser eliminada nos próximos 20 anos", afirmou Lian Yubo, cientista-chefe da BYD. Este ponto de vista é partilhado num contexto de baterias já à beira da comercialização. Será que isto faz sentido? Ou será que o caminho tecnológico do fosfato de ferro-lítio acabará por ser abandonado?

Neste vídeo, vamos aprofundar este tema. Em primeiro lugar, é importante saber que no mercado chinês, LFP é atualmente o operador dominante, tendo o seu volume de instalação ultrapassado o do lítio ternário durante três anos consecutivos. De acordo com estatísticas oficiais, de janeiro a julho de 2024, o volume de instalação de lítio ternário no sector dos veículos eléctricos foi de 30%, enquanto LFP para o 70%. Isto indica que as LFP são atualmente a principal escolha para as baterias eléctricas, principalmente devido às suas notáveis vantagens em termos de segurança, ciclo de vida e custos de aquisição em comparação com o lítio ternário.

A razão do domínio da LFP deve-se em grande medida à sua composição e estrutura cristalina. A LFP pertence quimicamente à estrutura da olivina, e as fortes ligações químicas tridimensionais formadas pelo grupo fosfato conferem-lhe uma excelente estabilidade termodinâmica e cinética. Desde o seu primeiro relatório em 1997, o LFP como material catódico foi estruturado para a estabilidade, que é a premissa fundamental para a sua comercialização. Isto garante que a bateria não entra facilmente em colapso estrutural durante o funcionamento, à medida que os iões de lítio intercalam e desintercalam. Além disso, a abundância e o baixo custo dos elementos fósforo e ferro conferem à LFP uma forte vantagem em termos de custos.

A sua vantagem mais conhecida é o seu elevado perfil de segurança. Estudos sobre o comportamento de fuga térmica dos dois tipos de baterias em condições de aquecimento mostram que a LFP apenas liberta uma grande quantidade de fumo sem combustão, com a temperatura mais elevada a atingir mais de 500 graus Celsius. Em contrapartida, o lítio ternário não só liberta fumo como também arde violentamente, com a temperatura mais elevada a atingir mais de 1000 graus Celsius. Do ponto de vista térmico, a libertação de calor do LFP é de 0,162 megajoules e a taxa é de 1,81 quilowatts, enquanto o lítio ternário liberta 3,147 megajoules, com uma taxa de 134,85 quilowatts. Estes dados indicam uma diferença significativa no desempenho dos dois tipos de baterias em condições de fuga térmica.

Especialmente do ponto de vista da taxa, o perigo do lítio ternário é muito elevado. Isto significa que, em caso de fuga térmica, a LFP proporciona tempo suficiente para a fuga e o manuseamento, enquanto o lítio ternário perde o controlo num instante. Por conseguinte, o volume de instalação das LFP está muito mais avançado porque a sua melhor segurança inerente pode reduzir a dificuldade e o custo da gestão térmica a nível do sistema.

Para muitos modelos de gama média/baixa, a LFP é a melhor escolha. No entanto, para muitos modelos de gama média a alta, para proporcionar uma melhor resistência, o lítio ternário é atualmente uma opção inevitável. Do ponto de vista da densidade energética, as LFP não são tão boas como o lítio ternário em termos de densidade de massa e densidade volumétrica. Em termos de massa, as LFP rondam os 140 a 180 watts-hora por quilograma, enquanto o lítio ternário ronda os 200 a 260 watts-hora por quilograma.

Numa perspetiva volumétrica, o LFP tem cerca de 300 a 400 watts-hora por litro, enquanto o lítio ternário tem cerca de 500 a 700 watts-hora por litro. É claro que alguns produtos topo de gama já ultrapassaram o intervalo de referência, mas, em geral, a diferença de energia entre os dois é muito óbvia, especialmente a diferença na densidade de energia volumétrica. A diferença de massa não é particularmente drástica e as principais tecnologias, como CTP, CTC e CTB, podem compensar ao nível da embalagem ou do veículo, mas o volume é mais difícil devido ao espaço limitado no compartimento da bateria.

Dado que a LFP não tem vantagens em termos de massa ou volume, alguns modelos topo de gama para experiências de longa duração normalmente não escolhem a LFP. A questão fundamental aqui é saber se as LFP conseguem acompanhar o lítio ternário para atingir o nível atual do lítio ternário. Se olharmos para a célula individual, ela não deve conseguir acompanhar o ritmo do lítio ternário, mas pode certamente atingir o nível atual do lítio ternário.

Para essas baterias de lítio, existem normalmente três caminhos para aumentar a densidade de energia, especialmente a densidade de energia volumétrica: tensão de trabalho, densidade de empacotamento e capacidade específica de massa. Vamos explicar cada uma delas. A tensão de funcionamento envolve o mecanismo de reação das LFP, que difere significativamente do lítio ternário na medida em que o cátodo das LFP tem principalmente duas fases estáveis durante a carga e a descarga: a fase Fe2+ e a fase Fe3+. Isto significa que o processo de carga e descarga é essencialmente um processo de migração de duas fases, em que uma fase muda para outra. Isto resulta numa plataforma de tensão estável de cerca de 3,4 V para LFP, que se mantém durante muito tempo.

O lítio ternário, por outro lado, tem uma transição de fase única durante a carga e a descarga, com os iões de lítio a intercalarem e desintercalarem continuamente sem uma interface de fase clara. Isto leva a uma curva de tensão mais acentuada para o lítio ternário, sem uma plataforma de tensão clara, que muda à medida que a concentração de iões de lítio varia. É por isso que a determinação da carga da bateria no lítio ternário é mais precisa, enquanto o LFP requer calibração regular, uma vez que a carga da bateria é determinada pela deteção dos níveis de tensão.

A tensão de funcionamento do LFP é, na verdade, fornecida pela reação redox dos iões de ferro a 3,4 volts. Os elementos fósforo e oxigénio desempenham apenas um papel na estabilidade estrutural e na transmissão do canal. Devido ao mecanismo de reação, a plataforma de tensão da LFP é difícil de aumentar, uma vez que é determinada pela estrutura cristalina, e a margem de alteração é muito pequena. Por conseguinte, aumentar a tensão de trabalho é um caminho difícil.

Outra via é aumentar a densidade de empacotamento, tornando o material do cátodo das LFP mais compacto. A densidade teórica das LFP é de 3,6 gramas por centímetro cúbico, enquanto as LFP comerciais actuais têm uma densidade de empacotamento de cerca de 2,4 a 2,5 gramas por centímetro cúbico. Este facto indica que ainda há muito espaço para melhorias. Em termos de densidade de embalagem, as melhorias da indústria provêm principalmente de três aspectos: melhorar as matérias-primas e as rotas do processo, melhorar o processo de sinterização e a distribuição do tamanho das partículas.

A última direção para aumentar a densidade energética é a capacidade específica da massa, que é a quantidade de carga por unidade de massa de material catódico que pode ser armazenada ou libertada. A partir da fórmula química da LFP, um mol de LFP só pode intercalar um mol de iões de lítio, o que corresponde a uma capacidade teórica específica da massa de 170 miliamperes-hora por grama. Na realidade, a capacidade das baterias comerciais de LFP é apenas de cerca de 130, e pode ser inferior em caso de utilização a alta velocidade. Este problema de capacidade constitui uma limitação significativa da densidade energética das LFP.

O mecanismo eletroquímico subjacente é o desempenho cinético do material do cátodo, ou seja, a condutividade dos electrões e dos iões de lítio. Se a condutividade for muito baixa, o material catódico não pode ser totalmente utilizado, o que significa que a sua eficiência de utilização é baixa. A chave é melhorar o desempenho cinético para se aproximar o mais possível do valor teórico. É importante notar que o LFP é um semicondutor e que a sua condutividade eletrónica não é inerentemente vantajosa. O canal de transporte de iões de lítio é também um canal intersticial com um baixo coeficiente de difusão.

Assim, apesar da sua excelente estabilidade estrutural, a condutividade é um inconveniente significativo. Do ponto de vista da indústria, a melhoria da condutividade eletrónica é conseguida principalmente através da nanocristalização, do revestimento de carbono e da dopagem. Atualmente, a maioria das baterias de LFP comerciais contém partículas de LFP em nanoescala com revestimentos de carbono, formando uma rede condutora para melhorar a condutividade. No entanto, a densidade da camada de revestimento de carbono é baixa, pelo que esta medida é mutuamente exclusiva da densidade de empacotamento, exigindo melhorias abrangentes na formulação e nos processos da fonte de carbono.

Quanto à questão das taxas de difusão do ião de lítio, são utilizados os mesmos métodos porque, durante a carga e a descarga, a difusão de iões de lítio e a condução de electrões estão associadas. Por exemplo, durante a descarga, um ião de lítio vem do ânodo e um eletrão também vem simultaneamente através do circuito externo. Por conseguinte, a melhoria da taxa de difusão dos iões de lítio também é abordada através da nanocristalização, do revestimento de carbono e da dopagem. De acordo com artigos profissionais, o manganês é um elemento dopante promissor. De facto, o próprio fosfato de ferro manganês e lítio é um material catódico, e a plataforma de tensão provocada pela oxidação de iões de manganês é tão elevada como 4,1 volts, o que pode aumentar significativamente a densidade energética sem aumentar significativamente os custos.

No entanto, devido à condutividade eletrónica ainda mais baixa do fosfato de lítio-manganês-ferro, os processos de modificação existentes não conseguem compensar esta desvantagem, pelo que, atualmente, existe pouca quantidade deste material catódico no mercado. Uma vez que os iões de manganês são quimicamente semelhantes aos iões de ferro, podem existir uniformemente na estrutura cristalina em qualquer proporção, permitindo melhorias na dopagem. Além disso, como o raio dos iões de manganês é ligeiramente maior, a substituição parcial do ferro por manganês pode expandir o cristal para aumentar o efeito de difusão dos iões de lítio.

Diz-se que os fabricantes nacionais já iniciaram a investigação e o desenvolvimento de materiais de fosfato de lítio, manganês e ferro. Para além do acima exposto, o processo de síntese de todo o material do cátodo LFP está também a ser continuamente optimizado. Ao controlar tanto quanto possível os defeitos internos, a dimensão das partículas e as vias de transmissão, a densidade energética pode ser melhorada até certo ponto.

Pode afirmar-se que a evolução tecnológica das fibras descontínuas de lítio está ainda em curso e que a sua densidade energética continuará a melhorar no futuro. Considerando que as LFP também mantêm uma excelente estabilidade térmica, um ciclo de vida longo e custos de matéria-prima relativamente baratos, as suas perspectivas futuras são bastante amplas

CAMINHO DE ARANHA LFP Fosfato de ferro-lítio Bateria: Alimentação de veículos industriais com precisão e desempenho

No domínio das soluções de energia para veículos industriais, CAMINHO DE ARANHA As baterias de fosfato de ferro-lítio LFP (LFP) criaram um nicho para si próprias, oferecendo uma mistura de elevado desempenho, segurança e fiabilidade. Estas baterias foram especificamente concebidas para satisfazer as rigorosas exigências das aplicações industriais, onde o desempenho e a durabilidade são fundamentais.

Aplicações em veículos industriais

As baterias SPIDERWAY LFP são amplamente aplicadas num espetro de veículos industriais. São o coração das empilhadoras, dos carrinhos de golfe, das plataformas de trabalho aéreo e muito mais, fornecendo a energia estável de que estes veículos necessitam para executar as suas funções de forma eficiente.

Vantagens do produto e da marca

As vantagens das baterias SPIDERWAY LFP são múltiplas:

Alto desempenho: Estas baterias fornecem uma potência e uma eficiência excepcionais, assegurando que os veículos industriais podem ter o seu melhor desempenho sem compromissos.
Carregamento rápido: Minimizando o tempo de inatividade, estas baterias permitem um carregamento rápido, o que maximiza a produtividade, mantendo as máquinas em funcionamento durante mais tempo.
Segurança e estabilidade: Equipadas com sistemas avançados de gestão da bateria (BMS), as baterias SPIDERWAY garantem um funcionamento seguro durante todo o processo de carregamento, reduzindo o risco de acidentes.
Longevidade: Com uma duração de vida notável, estas baterias são fornecidas com uma garantia de 10 anos, oferecendo valor e fiabilidade a longo prazo.
Amigo do ambiente: As baterias SPIDERWAY LFP são fabricadas a partir de materiais não tóxicos e de metais não pesados, em conformidade com a crescente ênfase global na sustentabilidade.

Linha de produção automatizada e economias de escala

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A SPIDERWAY estabeleceu uma linha de produção automatizada de última geração, que permite um fabrico de precisão e uma produção eficiente. Isto não só garante padrões de alta qualidade em todos os produtos, mas também aproveita as economias de escala para oferecer preços competitivos. A produção anual da empresa ultrapassa as 10.000 baterias de lítio, satisfazendo eficazmente as crescentes exigências do mercado.

Competitividade dos preços

Ao dominar o processo de produção e manter uma cadeia de fornecimento robusta, a SPIDERWAY consegue fornecer as suas baterias LFP de alta qualidade a preços competitivos. Esta competitividade de preços é sustentada pelo compromisso da empresa com a gestão de custos, garantindo que, enquanto a qualidade nunca é comprometida, os clientes desfrutam dos benefícios dos custos de produção optimizados.

Grau Premium Bateria LFP Células dos principais fornecedores

Sublinhando o seu compromisso com a qualidade, a SPIDERWAY obtém as suas células de bateria LFP exclusivamente de quatro fornecedores de primeira linha: BYD, CATL, EVE Energy e LISEHN. Estes fornecedores são conhecidos pelas suas células LFP de grau A, que são examinadas quanto ao seu desempenho e fiabilidade. Isto assegura que as baterias SPIDERWAY cumprem os requisitos rigorosos de várias aplicações industriais, fornecendo uma garantia poderosa para os utilizadores.

As baterias SPIDERWAY LFP são um testemunho da dedicação da empresa à inovação, à qualidade e à satisfação do cliente. À medida que o mundo avança em direção a soluções energéticas mais sustentáveis e eficientes, a SPIDERWAY está na vanguarda, oferecendo aos veículos industriais a energia de que necessitam para terem o seu melhor desempenho.

Perfil do autor

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Engenheiro de vendas de baterias SpiderWay LiFePO4 com dez anos de experiência em baterias para veículos industriais, pronto para responder a quaisquer perguntas que possa ter sobre produtos de baterias industriais LiFePO4.