عندما يتعلق الأمر بالسلامة وعمر الدورة الأطول ، فإن بطاريات LFP تتفوق على NMC و NCA ، على الرغم من أن كثافة طاقتها أقل. تتمتع كل من NMC و NCA بكثافة طاقة أعلى بكثير من LFP ، لكن هذه المقالة تثبت أنه لا يمكن ملاحظة هذه الميزة إلا في الاختبارات المعملية. يتطابق أداء LFP على مستوى العبوة مع أداء NMC من حيث الطاقة المحددة وكثافة الطاقة.
يجب على مستخدمي بطاريات الليثيوم فحص بيانات أداء حزمة البطارية لاتخاذ قرارات مستنيرة.
هذه المقالة على أساس الورقة المنشورة مؤخرا "منظور غير أكاديمي حول مستقبل البطاريات القائمة على الليثيوم ،" (نيتشر كوميونيكيشنز ، يناير 2023) تقدم هذه الورقة نظرة عامة شاملة على الاختلافات المهمة بين الأداء النظري والعملي لتقنيات الليثيوم الأكثر شيوعًا.
يوضح الشكل 1 الانخفاض في الطاقة المحددة وكثافة الطاقة لتقنيات LFP و NCA ، من إمكاناتها النظرية ("النظرية") إلى التطبيق العملي في جهاز مثبت ("حزمة"). على الرغم من التباين الملحوظ في الطاقة المحددة (Wh / kg) وكثافة الطاقة (Wh / L) على مستوى الخلية ، فإن كلا التقنيتين تظهران أداءً مشابهًا عند تقييمهما على مستوى العبوة.
قياس الأداء | شهادة ذكاء الأعمال | مستوى الخلية | مستوى الحزمة | |||
المركز الوطني للاعلام | LFP | المركز الوطني للاعلام | LFP | المركز الوطني للاعلام | LFP | |
الطاقة النوعية (Wh / kg) | 700 | 350-370 | 250 | 160-180 | 130 | 130-140 |
كثافة الطاقة (Wh / l) | 2400 | 1100 | 700 | 330-380 | 250 | 210-230 |
الجدول 1 NMC مقابل LFP: مستويات النظرية والخلية والحزمة
تستند البيانات الواردة في الجدول إلى الشكل 1 ، الذي يقارن بين الكيميائيين LFP و NCA. لأغراض هذه المقارنة ، من المفترض أن تكون الطاقة المحددة وكثافة الطاقة في NCA و NMC متساويتين. ومع ذلك ، في الواقع ، تشير مصادر مختلفة إلى أنه قد يكون هناك اختلاف بنسبة 5 إلى 15 ٪ بين NMC و NCA. الفرق في الأداء بين LFP و NMC (أو NCA) أكبر بكثير.
تشير الحسابات النظرية إلى أن كيمياء NMC لديها ما لا يقل عن ضعف الطاقة المحددة وكثافة الطاقة لكيمياء LFP. ومع ذلك ، على مستوى الخلية ، يتفوق NMC فقط على LFP بعامل 1.5 على هذه المعلمات ، وعلى مستوى الحزمة ، يعمل الكيميائيان بشكل مماثل.
من الناحية العملية ، يبلغ أداء خلايا NMC 36٪ من الحد الأقصى النظري ، بينما يقل أداء العبوة عن 20٪ من المستوى النظري. من ناحية أخرى ، فإن أداء الخلايا LFP يبلغ 45-48٪ من المستوى النظري ، وأداء العبوة حوالي 37٪ من المستوى النظري.
تتعامل أبحاث كيمياء البطارية بشكل أساسي مع أداء الخلية الواحدة وغالبًا ما تتجاهل مؤشرات انخفاض الطاقة وكثافة الطاقة المحددة بعد تجميع الخلايا في وحدات أو حزم. يتم إجراء البحث النظري في الغالب على مستويات TRL1 - TRL4 من مقياس مستوى الجاهزية التكنولوجية. عادة ما يكون الباحثون الأكاديميون أقل دراية بمتطلبات المستخدم النهائي والخطوات الهندسية الهامة نحو قابلية التوسع وإنتاج البطاريات الصناعية. غالبًا ما يتم اختبار البطاريات في ظل ظروف بيئية تختلف عن تلك أثناء العمليات الواقعية ، وهذا ينطبق بشكل خاص على بعض التطبيقات المتعطشة للطاقة في البيئات الخارجية والصناعية المعاكسة.
عامل آخر هو شعبية LFP. استثمر مصنعو البطاريات أكثر من عقدين من الهندسة في تصميم حزم البطاريات هذه ، حيث تعد تقنية خلية إلى حزمة (CTP) واحدة من أكثر الابتكارات فعالية في تجميع حزم البطاريات الصناعية.
موقع | المسرح | |
مختبر أبحاث | TRL 1 | صياغة الفكرة |
TRL 2 | إثبات المفهوم | |
TRL 3 | خلية عملة | |
TRL 4 | نموذج أولي صغير | |
مصنع تجريبي | TRL 5 | نموذج أولي كبير ، عينة تحتوي على وظيفة أو مفاهيم واحدة أو أكثر |
TRL 6 | التصنيع على نطاق MWh ، عينة مع جميع الوظائف التي تضمن حماية الوظائف من الناحية النظرية | |
مصنع لتصنيع البطاريات على نطاق GWh | TRL 7 | النموذج الأولي من الدرجة EV ، الموافقة على جزء السيارة |
TRL 8 | التصنيع على نطاق واسع ، إجراء التشغيل القياسي للمركبة | |
TRL 9 | عرض النظام والإنتاج على نطاق واسع | |
TRL 10 | اعتماد واسع ، لا أذكر |
الجدول 2. مستويات الجاهزية التكنولوجية
تهدف تقنية CTP إلى تبسيط تصميم وتصنيع بطاريات الليثيوم أيون. مع هذا النهج ، تم تصميم حزمة البطارية كوحدة واحدة تدمج خلايا متعددة ، مما يلغي الحاجة إلى الوصلات البينية والموصلات والمكونات الأخرى المطلوبة في حزمة بطارية تقليدية من خلية إلى وحدة. نهج CTP هو استخدام أكثر كفاءة للمواد الموصلة (الألومنيوم والنحاس) والكابلات والمساحة المتاحة داخل علبة البطارية.
يتيح CTP تصميم البطاريات لتطبيقات محددة بدقة ومرونة أكبر مما توفره تقنية خلية إلى وحدة ، من أجل مطابقة متطلبات العبوة للجهد والسعة. تقلل تقنية CTP من حجم البطاريات ووزنها وتكاليفها ، خاصة بالنسبة للبطاريات الصناعية الكبيرة ، مثل تلك المستخدمة في الرافعات الشوكية في صناعة مناولة المواد وفي العمليات الأخرى المتعطشة للطاقة.
طول العمر وزيادة الأمان لتكنولوجيا LFP. يمكن العثور على بيانات اختبارات الخلايا المتاحة تجاريًا في مقالتنا "اختبارات جديدة تثبت: تعيش بطاريات الليثيوم LFP لفترة أطول من بطاريات NMC. " على سبيل المثال ، درجة حرارة نقطة الوميض (عندما يكون من الممكن حدوث هروب حراري لمادة كيميائية معينة) لبطاريات LFP أعلى بكثير من بطاريات NMC. انظر الشكل 3 لمزيد من التفاصيل حول بطاريات الليثيوم مع كاثودات NMC و LFP.
مكونات بطارية LFP أقل تكلفة من مكونات NMC. النيكل والكوبالت مكلفان وغالبًا ما يرتبطان بممارسات التعدين غير الأخلاقية.
اتبعت التحسينات الكبيرة في أداء البطارية التطورات الهندسية المتزايدة على حد سواء خلية البطارية المستوى (تحسينات في مواد الإلكتروليت والأغشية) وعلى مستوى العبوة باستخدام تقنية CTP.
ساهم الإنتاج الضخم من LFP في انخفاض حاد في أسعار خلايا البطارية ، حيث انخفضت بنسبة 98٪ من 5000 دولار / كيلوواط ساعة في عام 1991 إلى 101 دولار / كيلوواط ساعة في عام 2021. في عام 2022 ، كان هناك ارتفاع في أسعار معادن البطاريات وارتفع سعر كل كيلوواط ساعة للليثيوم. بطاريات لأول مرة في العقد الماضي. نتج عن ذلك تفضيل مستدام لبطاريات LFP الأقل تكلفة والأكثر موثوقية على بطاريات NMC.
كونها أقل تكلفة وأكثر موثوقية من بطاريات NMC ، بطاريات LFP تظل التكنولوجيا الأكثر ملاءمة وبأسعار معقولة في السوق للعديد من التطبيقات ، بما في ذلك المركبات الكهربائية والمركبات الصناعية الكهربائية على الطرق الوعرة.
تواصل تقنية LFP التقدم على كل من مستويات الخلية والحزمة باستخدام تقنية CTP. علاوة على ذلك ، تحسن نظام إدارة البطارية (BMS) يحسن تفريغ كل خلية في الوقت الفعلي ويوفر مكاسب متزايدة في الأداء اليومي للبطارية ، ويطيل أيضًا من عمر دورتها.