Una mirada más cercana a las baterías de fosfato de hierro y litio, la nueva opción de batería de Tesla

Aug 24, 2023

Si bien las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) se han dejado de lado anteriormente en favor de las baterías de iones de litio, esto puede estar cambiando entre los fabricantes de vehículos eléctricos. El informe del tercer trimestre de 2021 de Tesla anunció que la compañía planea hacer la transición a baterías LFP en todos sus vehículos de gama estándar.

Esta noticia refleja una tendencia más amplia de que las baterías LFP se vuelvan cada vez más populares en los vehículos eléctricos (EV) de próxima generación.

Las baterías LFP utilizan fosfato de hierro y litio (LiFePO4) como material del cátodo junto con un electrodo de grafito y carbono con un respaldo metálico como ánodo. A diferencia de muchos materiales catódicos, el LFP es un compuesto de polianión compuesto por más de un elemento cargado negativamente. Sus átomos están dispuestos en una estructura cristalina formando una red 3D de iones de litio en comparación con las placas 2D de níquel, manganeso y cobalto.

La batería LFP funciona de manera similar a otras baterías de iones de litio (Li-ion), moviéndose entre electrodos positivos y negativos para cargarse y descargarse. Sin embargo, el fosfato es un material no tóxico en comparación con el óxido de cobalto o el óxido de manganeso. Es más, las baterías LFP son capaces de entregar voltaje constante en un ciclo de carga más alto, en el rango de 2000 a 3000.

Las baterías LFP están hechas de algo más que celdas conectadas; Incluyen un sistema que garantizará que la batería permanezca dentro de límites seguros. Un sistema de gestión de batería (BMS) protege, controla y monitorea la batería en todas las condiciones de funcionamiento para garantizar la seguridad y prolongar la vida útil de la batería.

Si bien las celdas de fosfato de hierro y litio son más tolerantes que las alternativas, aún pueden verse afectadas por la sobretensión durante la carga, lo que degrada el rendimiento. El material del cátodo también puede oxidarse y volverse menos estable. El BMS trabaja para limitar cada celda y garantiza que la batería se mantenga a un voltaje máximo.

La subtensión es una preocupación ya que los materiales de los electrodos se deterioran. El BMS puede desconectar una batería del circuito si alguna celda cae demasiado. También actuará como un respaldo contra condiciones de sobrecorriente y apagará la operación en caso de un cortocircuito.

La densidad de energía de las baterías LFP es menor que la alternativa de óxido de litio y cobalto (LiCoO2) y tiene un voltaje de funcionamiento más bajo. A pesar de estos desafíos, es imposible negar los beneficios de las baterías LFP en los vehículos eléctricos.

El LFP es conocido por su bajo costo y algunas estimaciones lo sitúan hasta un 70 por ciento menos por kilogramo que el NMC rico en níquel. La ventaja de coste proviene de su composición química. El hierro y el fósforo se extraen a enormes escalas en todo el mundo y se utilizan ampliamente en muchas industrias.

En 2020, los precios más bajos registrados para las baterías LFP alcanzaron por primera vez menos de 100 dólares/kWh. Las baterías LFP también tienen un impacto medioambiental menor; no contienen níquel ni cobalto, que tienen un suministro limitado, son caros y tienen un mayor impacto ambiental.

Las baterías LFP tienen un ciclo de vida más largo que otras baterías de iones de litio porque las celdas experimentan tasas de pérdida de capacidad más lentas. Su menor voltaje operativo también significa que las celdas son menos propensas a reacciones que afectan la capacidad.

Con un voltaje de descarga constante y una resistencia interna más baja, los vehículos propulsados ​​por LFP pueden entregar energía más rápido y lograr una mayor eficiencia de carga/descarga.

El LFP es térmica y químicamente estable, lo que lo hace menos propenso a explosiones o incendios debido a un mal uso o daños estructurales. En las baterías de óxido de litio y cobalto, la fuga térmica puede deberse a la omisión del cobalto con su coeficiente de temperatura negativo.

Se dice que el LFP emite una sexta parte del calor del NMC rico en níquel. El enlace Co-O también es más fuerte en las baterías LFP, por lo que si se produce un cortocircuito o se sobrecalienta, los átomos de oxígeno se liberan más lentamente. Es más, no queda litio en las celdas completamente cargadas, lo que las hace muy resistentes durante la pérdida de oxígeno en comparación con las reacciones exotérmicas típicas de otras celdas de litio.

Si bien las baterías LFP son más baratas y estables que las alternativas, un factor clave que inhibe su adopción a gran escala ha sido la densidad energética. La densidad energética de las baterías LFP es considerablemente menor que la de las alternativas, entre un 15 y un 25 por ciento. Sin embargo, esto está empezando a cambiar con electrodos más gruesos, como los utilizados en el Model 3 fabricado en Shanghai, que ofrecen una densidad de energía de 359 Wh/litro.

Gracias al largo ciclo de vida de las baterías LFP, después de aproximadamente un año de propiedad, en realidad tienen más capacidad que las baterías de iones de litio con un peso similar. Lo que esto significa es que, con el tiempo, la densidad de energía de estas baterías se vuelve más comparable.

Otro obstáculo para la adopción masiva es que una serie de patentes de LFP han permitido a China dominar el mercado. A medida que estas patentes expiren, hay sugerencias de que la producción de LFP se localizará junto con la fabricación de vehículos.

Los principales fabricantes de automóviles, como Ford, VW y Tesla, están aprovechando cada vez más la tecnología y sustituyendo formulaciones de níquel o cobalto. El reciente anuncio de Tesla en su actualización trimestral es sólo el comienzo. Tesla también ha ofrecido una breve actualización de su paquete de baterías 4680, que será capaz de ofrecer una mayor densidad de energía y alcance. También se ha especulado que Tesla empleará una construcción de “celda a paquete” para meter más células y compensar la menor densidad de energía.

A pesar de ser una tecnología anticuada, la LFP y la reducción asociada de los costos de las baterías pueden ser fundamentales para acelerar la adopción masiva de vehículos eléctricos. Se espera que los precios de los iones de litio se acerquen a los 100 dólares/kWh para 2023. Los LFP pueden permitir a los fabricantes de automóviles dar más peso a factores como la conveniencia o el tiempo de recarga en lugar de solo el precio.