Uno sguardo più da vicino alle batterie al litio ferro fosfato, la nuova scelta di batterie di Tesla

Aug 24, 2023

Sebbene le batterie al litio ferro fosfato (LFP) siano state precedentemente messe da parte a favore delle batterie agli ioni di litio, la situazione potrebbe cambiare tra i produttori di veicoli elettrici. Il rapporto del terzo trimestre del 2021 di Tesla ha annunciato che la società prevede di passare alle batterie LFP in tutti i suoi veicoli della gamma standard.

Questa notizia riflette una tendenza più ampia che vede le batterie LFP diventare sempre più popolari nei veicoli elettrici (EV) di prossima generazione.

Le batterie LFP utilizzano litio ferro fosfato (LiFePO4) come materiale catodico insieme a un elettrodo di carbonio di grafite con un supporto metallico come anodo. A differenza di molti materiali catodici, l'LFP è un composto polianionico composto da più di un elemento caricato negativamente. I suoi atomi sono disposti in una struttura cristallina formando una rete 3D di ioni litio rispetto alle lastre 2D di nichel manganese cobalto.

La batteria LFP funziona in modo simile ad altre batterie agli ioni di litio (Li-ion), spostandosi tra gli elettrodi positivi e negativi per caricarsi e scaricarsi. Tuttavia, il fosfato è un materiale non tossico rispetto all'ossido di cobalto o all'ossido di manganese. Inoltre, le batterie LFP sono in grado di fornire una tensione costante con un ciclo di carica più elevato, compreso tra 2.000 e 3.000.

Le batterie LFP sono costituite da qualcosa di più che semplici celle collegate; includono un sistema che garantirà che la batteria rimanga entro limiti di sicurezza. Un sistema di gestione della batteria (BMS) protegge, controlla e monitora la batteria in tutte le condizioni operative per garantire la sicurezza e prolungare la durata della batteria.

Sebbene le celle al litio ferro fosfato siano più tolleranti rispetto alle alternative, possono comunque essere interessate da sovratensione durante la ricarica, che ne riduce le prestazioni. Il materiale del catodo può anche ossidarsi e diventare meno stabile. Il BMS lavora per limitare ciascuna cella e garantisce che la batteria stessa sia mantenuta alla tensione massima.

La sottotensione è un problema poiché i materiali degli elettrodi si rompono. Il BMS è in grado di scollegare una batteria dal circuito se una cella scende troppo in basso. Fungerà anche da dispositivo di protezione contro le condizioni di sovracorrente e interromperà il funzionamento in caso di cortocircuito.

La densità energetica delle batterie LFP è inferiore rispetto all'alternativa all'ossido di litio cobalto (LiCoO2) e ha una tensione operativa inferiore. Nonostante queste sfide, è impossibile negare i vantaggi delle batterie LFP nei veicoli elettrici.

LFP è noto per il suo basso costo: secondo alcune stime, è fino al 70% inferiore per chilogrammo rispetto all’NMC ricco di nichel. Il vantaggio in termini di costi deriva dalla sua composizione chimica. Ferro e fosforo vengono estratti su vasta scala in tutto il mondo e sono ampiamente utilizzati in molti settori.

Nel 2020, i prezzi più bassi delle celle per le batterie LFP hanno raggiunto per la prima volta meno di 100 dollari/kWh. Le batterie LFP hanno anche un impatto ambientale minore; non contengono nichel o cobalto, che sono limitati nell'offerta, costosi e hanno un impatto ambientale maggiore.

Le batterie LFP hanno un ciclo di vita più lungo rispetto alle altre batterie agli ioni di litio perché le celle subiscono tassi di perdita di capacità più lenti. La loro tensione operativa inferiore significa anche che le celle sono meno inclini a reazioni che influiscono sulla capacità.

Con una tensione di scarica costante e una resistenza interna inferiore, i veicoli alimentati da LFP possono fornire energia più velocemente e ottenere una maggiore efficienza di carica/scarica.

LFP è termicamente e chimicamente stabile, il che lo rende meno soggetto a esplosioni o incendi dovuti a uso improprio o danni strutturali. Nelle batterie all'ossido di litio-cobalto, l'instabilità termica può derivare dall'omissione del cobalto con il suo coefficiente di temperatura negativo.

Si dice che l’LFP emetta un sesto del calore dell’NMC ricco di nichel. Il legame Co-O è anche più forte nelle batterie LFP, quindi se cortocircuitate o surriscaldate, gli atomi di ossigeno vengono rilasciati più lentamente. Inoltre, nelle celle completamente cariche non rimane litio, il che le rende altamente resistenti in caso di perdita di ossigeno rispetto alle reazioni esotermiche tipiche di altre celle al litio.

Sebbene le batterie LFP siano più economiche e più stabili delle alternative, un fattore chiave che ne ha impedito l’adozione su larga scala è stata la densità energetica. La densità energetica delle batterie LFP è notevolmente inferiore a quella delle alternative, tra il 15 e il 25%. Tuttavia, la situazione sta cominciando a cambiare con elettrodi più spessi come quelli utilizzati nel Model 3 prodotto a Shanghai, che forniscono una densità di energia di 359 Wh/litro.