Litium-rautafosfaattiakku

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Litium-rauta­fosfaatti­akku (LiFePO4-akku tai LFP) on litiumioniakku, joka käyttää litiumrautafosfaattia (LiFePO4) katodimateriaalina. Litium-rauta­fosfaatti­akkukennon nimellinen jännite on 3,3 V. Litium-rauta­fosfaatti­akku kestää tuhansia lataus-purku-jaksoja ja se on perinteisiä litiumakkutekniikoita turvallisempi. Ominaisuuksiensa takia sitä pidetään sopivana akkuna sähköautoihin. Litium-rautafosfaattiakun energiatiheys on noin 100 Wh/kg. SolidEnergy-yhtiö on ilmoituksensa mukaan kehittänyt turvallisen litium-akun, jonka energiasisältö on 400–500 Wh/kg, tekniikka hyödyntää ultraohuita metallianodeja.[1][2][3]

Litiumrautafosfaatin hinta raaka-ainemarkkinoilla on korkeampi kuin useampien teollisuuden raaka-aineiden, noin 30 000-50 000 USD tonnilta (2015).[4]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

LiFePO4 on oliviiniryhmään kuuluva silikaattimineraali. LiFePO4-akun kehitti John Goodenoughin tutkijaryhmä Teksasin yliopistossa 1996.[5] Litiumrautafosfaattia käytetään akuissa katodina.  Litiumrautafosfaatin ominaisuuksien, kuten edullisuuden, myrkyttömyyden, raudan runsaan esiintyvyyden, turvallisuusominaisuuksien, lämpöstabiiliuden ja sähkökemiallisten ominaisuuksien takia sitä pidetään lupaavana katodimateriaalina pienille ja suurille sovelluksille.[6][7]Suurin este sen kaupallistumiselle oli sen luontaisesti matala sähkönjohtavuus. Ongelman ratkaisi Michael Armand ja hänen ryhmänsä pienentämällä partikkeleiden hiukkaskokoa sekä päällystämällä LiFePO4-hiukkasia sähkönjohtavilla materiaaleilla.[8] Yet Ming Chiangin ryhmä esitteli seostusmenetelmän, jossa litiumrautafosfaattiin lisätään pieniä määriä metalli-ioneja, kuten alumiinia, niobiumia ja zirkoniumia.[6]

MIT esitteli uuden päällystyksen, jonka ansiosta ionit pääsevät liikkumaan helpommin akun sisällä. Tämä ns. “beltway battery” hyödyntää ohitusjärjestelmää, joka mahdollistaa litiumionien menevän ja poistuvan elektrodeista sellaisella nopeudella, että akku latautuu täysin alle minuutissa. Tiedemiehet keksivät, että päällystämällä LiFePO4-partikkelit litiumpyrofosfaatilla, ionit ohittavat kanavat ja liikkuvat nopeammin kuin muissa akuissa. Akut lataavat ja purkavat energiaa siten, että ionit liikkuvat anodien ja katodien välillä. Lataus- ja purkausnopeudet riippuvat siitä, kuinka nopeasti ionit liikkuvat. Tällä teknologialla akkujen kokoa ja massaa voitaisiin pienentää. MIT:n tutkijaryhmä on tehnyt pienen prototyyppikennon, joka latautuu täyteen 10-20 sekunnissa. Standardilla tavalla valmistetut kennot latautuvat kuudessa minuutissa. [9]

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakku koostuu katodista (LiFePO4), anodista ([null grafiitti)] [RL1] ja elektrolyytistä. Anodimateriaalina käytetään grafiittia. Akkua purettaessa litiumionit liikkuvat anodista katodiin ja ladattaessa takaisin. Litiumioniakkuja kutsutaankin "keinutuoliakuiksi" edestakaisin siirtyvien ionien takia. [10]

Purettaessa anodilla tapahtuu hapettumisreaktio, jonka yhteydessä vapautuu elektroneja. Elektronit kulkevat ulkoisen piirin kautta katodille aikaansaaden sähkövirran. Katodilla tapahtuu pelkistymisreaktio. Ladattaessa reaktiot tapahtuvat päinvastaiseen suuntaan. [11]

Reaktioyhtälöt ovat :

Katodilla LiFePO4 ⇌ FePO4 + Li+ + e-

Anodilla LiC ⇌ C + Li+ + e-

Hyödyt ja haitat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakulla on samat hyödyt kuin muilla litiumioni -teknologiaan pohjautuvilla akuilla. [12][13]

Litium-rautafosfaattiakku purkautuu muista litiumioni-akuista poiketen tasaisesti noin 3,2 V jännitteellä kunnes akku on lähes tyhjä. 3,2 V nimellisjännite mahdollistaa neljän kennon yhdistämisen sarjaan 12,8 V akuksi.

Akun kapasiteetti pysyy samalla tasolla varastoinnista tai käytöstä riippumatta.

Verrattuna uusiin LiCoO2 -akkuihin LiFePO4 -akuilla on korkeammat virta- ja tehotasot mutta alhaisempi energiatiheys. [14]

Akkuteknologian käyttöönottoa ovat jarruttaneet patenttiepäselvyydet, mikä on johtanut muiden vaihtoehtoisten materiaalien tutkimiseen. [15]

Turvallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-rautafosfaattiakulla on hyvä lämpökemiallinen stabiilius verrattuna muihin litiumioni -akkuihin. LiFePO4 on luonnostaan turvallisempi katodimateriaali kuin LiCoO2 tai LiPO. [16]

Kaikki litium on siirtynyt täyteen ladatun kennon katodilta pois, minkä ansiosta kennolla ei tapahdu eksotermistä reaktiota hapen vapautuessa. [17]

Katodi pysyy rakenteellisesti samankaltaisena reaktion alussa ja lopussa, minkä ansiosta kenno on rakenteellisesti stabiili. [18]

Litium-rautafosfaattiakku on huomattavasti turvallisempi käsitellä ja kestää myös väärinkäyttöä paremmin kuin muut [null L][RL3] itium-ioni -akut.[7][19]

Litium-rautafosfaattiakku on muita litium-ioniakkuja ympäristöturvallisempi, sillä sen valmistuksessa ei ole käytetty raskasmetalleja.[20]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Akkutyyppi on erityisen sopiva ajoneuvoihin, kuten sähköpolkupyöriin, -skoottereihin ja -autoihin pitkän elinkaarensa, korkean purkausnopeutensa, turvallisuutensa sekä keveytensä ansiosta. Autoissa sitä ovat käyttäneet muun muassa Aptera Motors[21] ja Ouicc![22].

Ajoneuvojen lisäksi akkutyypillä on myös monia muita käyttötarkoituksia. Litium-rautafosfaattiakkuja käytetään muun muassa sähkösavukkeissa, turvavalaisimissa, aurinkokennoilla varustetuissa pienvalaisimissa kuten puutarhavalaisimissa, taskulampuissa ja RC-autoissa. Erityisesti korkeamman hintaluokan RC-autoissa akkuja suositaan niiden turvallisuuden ja korkean purkuvirran vuoksi.[23][24]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. http://www.solidenergysystems.com/ Viitattu 13.11.2015.
  2. http://yle.fi/uutiset/lehti_uusi_akkuteknologia_mullistaa_sahkoautomarkkinat/7593625 | Uusi akkuteknologia mullistaa sahkoautomarkkinat. Viitattu 13.11.2015.
  3. https://www.washingtonpost.com/news/innovations/wp/2015/02/23/why-the-perfect-long-lasting-battery-for-your-smartphone-seems-like-it-will-never-come/ Viitattu 13.11.2015.
  4. Paula Nikula: Litium on sähköistä kultaa. Kauppalehti, 24.9.2015, nro 181, s. 12-15.
  5. A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, J. B. Goodenough: Phospho‐olivines as Positive‐Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 1.4.1997, nro 4, s. 1188–1194. doi:10.1149/1.1837571. ISSN 0013-4651. Artikkelin verkkoversio. en
  6. a b Jessica Gorman: Bigger, Cheaper, Safer Batteries: New material charges up lithium-ion battery work Science News. 23.9.2013. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  7. a b Reference Library (Articles) - House of Batteries www.houseofbatteries.com. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  8. Michel Armand, John B. Goodenough, Akshaya K. Padhi, Kirakodu S. Nanjundaswamy, Christian Masquelier: Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries Viitattu 13.12.2017.
  9. New Battery Technology Charges in Seconds AENews. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  10. Linden, D. & Reddy, T.B.: Linden's Handbook of Batteries. McGraw-Hill, New York., 2011.
  11. Borong Wu, Yonghuan Ren, Ning Li: LiFePO4 Cathode Material. InTech, 2011. Teoksen verkkoversio (viitattu 13.12.2017). en
  12. Lithium-ion battery. Wikipedia, 11.12.2017. Artikkelin verkkoversio. en
  13. SolidEnergy - The World's Lightest Rechargeable Cells SolidEnergy Systems. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  14. Custom Lithium Iron Phosphate Battery Packs | Li-Ion Phosphate Batteries - House of Batteries www.houseofbatteries.com. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  15. Lithium Secondary - Rechargeable - Cells www.mpoweruk.com. Viitattu 13.12.2017.
  16. Harding Energy | Lithium Ion batteries | Lithium Polymer | Lithium Iron Phosphate Harding Energy. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  17. Miikka Jokinen: Litiumtitanaattielektrodin valmistusparametrien ja partikkelirakenteen vaikutus elektrodin toimintaan, s. 17-18. Aalto-yliopisto, 2014. Teoksen verkkoversio.
  18. Jonas Fluhr,: Communication with and for Electric Vehicles., s. 202. INTECH Open Access Publisher, 2011. 884049536. ISBN 9789533072876. Teoksen verkkoversio.
  19. Juho Matikainen: Litium-polymeeri- ja litiumrautafosfaattiakkujen käyttö kannettavissa audiolaitteissa Kandidaatintyö. Lappeenranta University of Technology. Viitattu 13.12.2017.
  20. Lithium Secondary - Rechargeable - Cells www.mpoweruk.com. Viitattu 13.12.2017.
  21. Aptera unveils full specs for its flagship 2e Engadget. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
  22. Quicc kotisivu Viitattu 12.8.2017.
  23. Typical Applications for LiFePO4 Batteries Bioenno Power. Viitattu 13.12.2017.
  24. RC Model Reviews: Batteries for radio controlled models www.rcmodelreviews.com. Viitattu 13.12.2017. (englanniksi)
Tämä tekniikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.