Tipos de baterías integradas de fosfato de hierro y litio

Tipo de montaje en bastidor estándar (bastidor de servidores): Un gabinete metálico rectangular (normalmente 440 mm de ancho × 450 mm de profundidad × 130 mm de alto para una unidad de 5 kWh) diseñado para deslizarse en un bastidor de equipo de 19 pulgadas. Estas unidades tienen pantallas en el panel frontal que muestran el estado de carga (SOC), voltaje, corriente y temperatura. El BMS se comunica a través de bus CAN o RS485 con inversores externos. Capacidades comunes: 4,8 kWh (100 Ah a 48 V) o 9,6 kWh (200 Ah a 48 V). Los tipos de montaje en bastidor dominan el almacenamiento solar residencial y comercial pequeño.

Tipo de hoja o perfil delgado: Unidad plana montada en la pared, de menos de 100 mm de espesor, que a menudo cuelga verticalmente como un marco de cuadro. Las capacidades varían de 2 a 5 kWh. El perfil delgado permite la instalación en garajes o en paredes interiores donde el espacio es limitado. El BMS y los contactores están dispuestos en línea a lo largo del borde inferior para mantener el espesor mínimo. El enfriamiento es pasivo (convección natural) porque el aire forzado requiere profundidad adicional.

Tipo modular apilable: Módulos de batería individuales de 1 a 2 kWh cada uno (altura 150-200 mm) que se apilan verticalmente y se conectan en paralelo o en serie mediante cables de puente. Una pila de 4 a 8 módulos alcanza de 5 a 15 kWh. Cada módulo tiene su propio BMS y un módulo maestro se comunica con el inversor. Los tipos apilables se utilizan en vehículos recreativos y pequeñas cabañas fuera de la red donde los usuarios desean comenzar con una capacidad pequeña (por ejemplo, 2 kWh) y agregar módulos más adelante sin reemplazar todo el sistema.

Tipo de central eléctrica todo en uno: Una unidad portátil que contiene la batería LiFePO₄, un inversor (onda sinusoidal pura, de 1000 a 3000 W), un controlador de carga solar y puertos de carga CA/CC dentro de un único estuche de transporte con asa. Las capacidades van desde 500 Wh hasta 3.000 Wh. Las salidas incluyen salidas de CA (110 V o 230 V, según la región), USB-C (hasta 100 W) y puertos para automóvil de 12 V. El BMS gestiona tanto la carga como la descarga en todos los puertos simultáneamente.

Tipo de reemplazo directo de plomo-ácido: Una batería que coincide físicamente con las dimensiones de las baterías de plomo-ácido del Grupo 24, Grupo 27, Grupo 31 o GC2 (carrito de golf). La carcasa es de plástico negro (ABS o policarbonato) con postes terminales de estilo automotriz (SAE o pernos roscados). La tensión nominal es de 12,8 V (4 celdas en serie). Las capacidades varían de 50 Ah a 300 Ah. El BMS está sellado en el interior y proporciona un corte a baja temperatura (protección de carga por debajo de 0 °C). Se utilizan para actualizar vehículos recreativos, embarcaciones y carritos de golf existentes sin modificar la bandeja de la batería.

Propiedades materiales de Baterías integradas de fosfato de hierro y litio

Material del cátodo (fosfato de hierro y litio, LiFePO₄)

El cátodo es el componente definitorio de la química de esta batería. LiFePO₄ tiene una estructura cristalina de olivino (grupo espacial ortorrómbico Pnma). Los grupos hierro y fosfato forman una estructura tridimensional con iones de litio ocupando canales. Propiedades clave: capacidad específica teórica de 170 mAh/g, capacidad real de 140-160 mAh/g en celdas comerciales. El voltaje de funcionamiento es estable de 3,2 a 3,3 V en comparación con el litio metálico, con un corte de 2,5 V (descarga) y 3,65 V (carga). El enlace hierro-fosfato (P-O) es fuerte (energía de enlace 480 kJ/mol), lo que hace que el material sea térmicamente estable hasta 270 °C antes de la descomposición. En comparación, el óxido de litio y cobalto (LCO) se descompone a 150-200°C. Esta estabilidad térmica es la principal ventaja de seguridad del LiFePO₄. El material no es tóxico y no contiene cobalto, lo que reduce tanto los costos como las preocupaciones ambientales. La densidad aparente (densidad de empaquetamiento del polvo) es de 1,0 a 1,5 g/cm³, menor que la del LCO (2,0-2,5 g/cm³), lo que contribuye a una menor densidad de energía volumétrica.

Material del ánodo (grafito)

El ánodo es grafito sintético o natural con estructura en capas (grupo espacial P63/mmc). Los iones de litio se intercalan entre las capas de grafeno durante la carga. La capacidad teórica del grafito es 372 mAh/g; Los ánodos comerciales alcanzan 340-360 mAh/g. El ánodo suele ser de 1,5 a 2,0 veces más grueso que el cátodo para tener en cuenta la menor densidad del grafito litiado. La capa de interfase de electrolito sólido (SEI) se forma en la superficie del grafito durante los primeros ciclos de carga, consumiendo entre el 5 y el 10 por ciento del inventario de litio (el motivo de los "ciclos de formación"). La capa SEI está compuesta de carbonato de litio (Li₂CO₃), carbonatos de alquilo y litio y LiF. Su espesor se estabiliza entre 20 y 50 nm después de la formación. Un SEI estable es fundamental para la duración de la batería; un SEI dañado provoca un consumo continuo de litio y una pérdida de capacidad.

Separador

El separador es una membrana de poliolefina microporosa, típicamente polipropileno (PP) o polietileno (PE), o una tricapa PP/PE/PP. El espesor es de 20 a 30 micrones para celdas prismáticas y de bolsa, y de 30 a 40 micrones para celdas cilíndricas. La porosidad es del 40 al 55 por ciento, con tamaños de poro de 0,03 a 0,1 micrones (lo suficientemente pequeños como para bloquear las dendritas pero lo suficientemente grandes para el paso de iones). El separador tiene una función de apagado: a 130-140°C (para PE) o 160-170°C (para PP), los poros se cierran, deteniendo el flujo de iones y cortando la corriente antes de la fuga térmica. La resistencia a la tracción en la dirección de la máquina es de 100 a 150 MPa y de 10 a 15 MPa en la dirección transversal. El separador se humedece fácilmente con el electrolito a base de carbonato (ángulo de contacto <30 grados después del tratamiento con plasma).

Coleccionistas actuales

El colector de corriente del cátodo es una lámina de aluminio (99,5 por ciento de pureza, de 15 a 25 micrones de espesor). El colector de corriente del ánodo es una lámina de cobre (99,9 por ciento de pureza, de 10 a 20 micrones de espesor). La superficie de la lámina se trata (grabada o recubierta con una capa de carbón) para mejorar la adhesión de la suspensión del electrodo. La resistencia de contacto entre la lámina y el revestimiento del electrodo suele ser de 0,5 a 2 ohm·cm². Las pestañas que conectan los colectores de corriente a los terminales externos son de cobre niquelado (cátodo) y níquel puro (ánodo) para evitar la corrosión galvánica. Las pestañas se sueldan a las láminas mediante soldadura ultrasónica, con una resistencia de soldadura de 20-50 N.