Caratteristiche principali: Le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO₄, LFP), che utilizzano il litio ferro fosfato come materiale attivo per l’elettrodo positivo, grafite come elettrodo negativo e una soluzione mista di carbonati come elettrolita, rappresentano attualmente il tipo di batteria più diffuso nei settori della propulsione e dell’accumulo di energia. I loro principali vantaggi risiedono nella sicurezza, nella lunga durata, nell’ecocompatibilità e nel rapporto costo-efficacia. Il loro plateau di tensione è stabile a 3,2 V, le reazioni chimiche durante la carica e la scarica sono moderate e presentano un’elevatissima stabilità termica. Possono superare rigorosi test di sicurezza, quali la penetrazione con ago, la compressione e la conservazione ad alta temperatura, soddisfacendo i requisiti della norma GB 38031-2020. Non sussiste alcun rischio di incendio o esplosione entro 5 minuti dal verificarsi di una corsa termica, dimostrando così un significativo vantaggio in termini di sicurezza rispetto alle batterie ternarie.
La durata del ciclo è un vantaggio competitivo fondamentale. Secondo lo standard nazionale GB/T 36276, considerando come riferimento un degrado della capacità all’80%, i prodotti mainstream raggiungono 3000-4000 cicli con una profondità di scarica (DOD) dell’80%, mentre i prodotti di fascia alta possono superare i 6000 cicli nei test di laboratorio. Nelle applicazioni pratiche, negli scenari di accumulo energetico domestico viene utilizzato un intervallo di carica e scarica compreso tra il 20% e l’80% dello stato di carica (SOC), con un degrado annuale pari soltanto al 2,5%, garantendo così una vita utile di 12-15 anni; in modalità di carica e scarica superficiale al 50%, il numero di cicli può essere esteso fino a 8000, soddisfacendo perfettamente i requisiti di ciclaggio ad alta frequenza propri degli impianti di accumulo fotovoltaico.
I continui progressi tecnologici stanno risolvendo le carenze prestazionali. I prodotti di quarta generazione ad alta densità di tensione hanno raggiunto una produzione su larga scala, con una densità energetica per singola cella di 190 Wh/kg e una densità energetica del sistema superiore a 205 Wh/kg, avvicinandosi al livello delle batterie ternarie. Contestualmente, grazie all’ottimizzazione con nuovi elettroliti e tecnologie di gestione termica, la riduzione dell’autonomia in ambienti a basse temperature (-30 °C) è contenuta entro il 20%, mentre la tecnologia di ricarica ultraveloce 4C consente di raggiungere l’80% di carica in soli 15 minuti, risolvendo i tradizionali problemi legati alle prestazioni a basse temperature e alla ricarica rapida.
I vantaggi ambientali e economici sono evidenti. Non contengono metalli pesanti scarsi, come cobalto e nichel, rispettano i regolamenti ambientali RoHS e REACH, presentano basse emissioni di carbonio durante l’intero ciclo di vita e possono essere smontati e riciclati in modo sicuro secondo lo standard GB/T 34015-2017 al termine del loro utilizzo. Grazie alla facile reperibilità delle materie prime, il costo è inferiore del 15%-20% rispetto a quello delle batterie agli ioni di litio ternarie. Inoltre, il sistema di gestione della batteria (BMS) supporta un allarme di guasto su tre livelli e una risposta del dispositivo di interruzione del circuito in millisecondi, soddisfacendo i requisiti di progettazione ridondante per le grandi centrali di accumulo energetico.
Applicazioni tipiche: Grazie alle sue caratteristiche prestazionali, copre ampiamente diversi scenari applicativi. Nel settore dei veicoli a energia nuova, prodotti come la Blade Battery di BYD garantiscono un funzionamento stabile del veicolo per 600.000 chilometri; nel campo dell’accumulo di energia, domina i progetti di accumulo per fotovoltaico/eolico e di livellamento dei picchi di rete, ed è inoltre adatto ai sistemi domestici di accumulo energetico; negli ambiti commerciali, autobus elettrici, veicoli elettrici a bassa velocità e stazioni base per telecomunicazioni—ovvero apparecchiature con elevati requisiti di sicurezza e lunga durata—ne fanno uso come fonte di alimentazione principale. Le dimensioni del mercato globale registrano un tasso di crescita annuo composto superiore al 20% e si prevede che supereranno i 150 miliardi di RMB entro il 2028.
Processo di preparazione mainstream del materiale catodico: il materiale catodico è il componente fondamentale che determina le prestazioni della batteria e la sua preparazione prevede due fasi chiave: la preparazione del precursore e la sintesi. Il metodo carbotermico a riduzione in fase solida è il processo industriale mainstream.
La prima fase prevede la preparazione del precursore fosfato di ferro. Utilizzando il solfato ferroso eptaidrato come fonte di ferro e l’acido fosforico industriale come fonte di fosforo, lo ione Fe²⁺ viene ossidato a Fe³⁺ mediante perossido di idrogeno. L’acqua ammoniacale viene impiegata per regolare il pH a un valore compreso tra 1,5 e 2,5, al fine di precipitare il fosfato di ferro. Dopo filtrazione a piastre e telai e lavaggio con acqua pura per rimuovere le impurità, il materiale viene essiccato istantaneamente e calcinato a una temperatura compresa tra 500 e 600 °C, ottenendo così un precursore di fosfato di ferro diidrato di grado batteria con un rapporto ferro-fosforo pari approssimativamente a 0,97:1.
Il secondo passaggio è la sintesi del fosfato di litio e ferro. Il fosfato di ferro anidro, il carbonato di litio (in un rapporto stechiometrico del 105%) e una fonte di carbonio a base di glucosio vengono miscelati nelle proporzioni opportune. La miscela viene sottoposta a macinazione umida fino a ottenere una sospensione fine con una D50 compresa tra 0,2 e 0,6 μm. Dopo l’essiccazione a spruzzo, il materiale viene introdotto in un forno a rulli sotto atmosfera di azoto, mediante un processo di sinterizzazione in due fasi: pre-decomposizione dei materiali grezzi a 350 °C per 4 ore, seguita da un riscaldamento a 700–800 °C per 9–20 ore per completare la riduzione carbotermica. La fonte di carbonio riduce Fe³⁺ a Fe²⁺ e forma uno strato conduttivo di rivestimento carbonioso sulla superficie delle particelle. Dopo la sinterizzazione, il materiale viene sottoposto a micronizzazione con getto d’aria, a vagliatura classificatrice e alla rimozione del ferro mediante separazione magnetica intensa, ottenendo infine un materiale catodico composito nero con struttura cristallina olivina e una capacità specifica di 155–165 mAh/g.
Il metodo in fase liquida funge da processo complementare, esemplificato dal metodo di evaporazione autorigenerante di Defang Nano. Questo processo è più semplice: dopo aver miscelato e disciolto le materie prime in una sospensione, la miscela viene preriscaldata ed evaporata autonomamente in un reattore per formare un precursore gelatinoso a struttura alveolare. Dopo una prima frantumazione e un'essiccazione in letto fluidizzato, il materiale viene sinterizzato. Questo metodo elimina la necessità di preparare separatamente il precursore di fosfato ferroso, consentendo una miscelazione più uniforme dei materiali, ma richiede una maggiore precisione nel controllo della temperatura. Attualmente è utilizzato principalmente nella produzione di batterie per l’accumulo di energia di fascia alta. II. Assemblaggio della cella e lavorazioni successive: una volta preparato il materiale per l’elettrodo positivo, questo viene rivestito, laminato e tagliato per formare la lamina dell’elettrodo positivo. Quest’ultima viene quindi impilata o avvolta insieme alla lamina dell’elettrodo negativo in grafite e al separatore secondo una struttura "positivo-separatore-negativo", e inserita in un involucro di alluminio (per le batterie prismatiche) o in un involucro d’acciaio (per le batterie cilindriche) per formare la cella. Dopo l’iniezione dell’elettrolita misto a base di carbonati, la cella subisce un processo di formazione per attivarla. Viene applicata una carica a corrente costante e tensione costante per formare un film passivante SEI sulla superficie degli elettrodi. Infine, vengono eseguiti i processi di invecchiamento, di misurazione della capacità e di selezione, al fine di eliminare i prodotti con capacità o resistenza interna non conformi, garantendo così l’uniformità delle celle.
