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BATTERIE LITIO-FERRO-FOSFATO

[ 23/11/2012 ]

La batteria al litio-ferro-fosfato (LiFePO4, in breve "LFP") è un tipo di batteria ricaricabile, nello specifico una batteria agli ioni di litio, che utilizza il litio-ferro-fosfato come materiale catodico.
Il LiFePO4 è stato scoperto dal gruppo di ricerca di John Goodenough all'Università del Texas nel 1996, come un materiale catodico per le batterie al litio. Grazie al suo basso costo, alla sua atossicità, all'abbondanza del ferro, alla sua alta stabilità termica, caratteristiche di sicurezza, buone prestazioni elettrochimiche, e alla sua alta capacità specifica (170 mA•h/g) ha guadagnato una buona posizione nel mercato.
Il limite tecnico che, inizialmente, ha relegato questa batteria ad una nicchia di mercato è stata la sua alta resistenza elettrica. Questo problema, comunque, è stato parzialmente risolto riducendo la dimensione delle particelle utilizzate nella costruzione e, rivestendo le particelle di LiFePO4 con materiali conduttori come il carbonio e, parzialmente ricorrendo al drogaggio dei semiconduttori. È stato poi scoperto che una migliore conduttività veniva creata con nanoparticelle di carbonio create da precursori organici.


Le batterie LiFePO4 restano sempre delle batterie che utilizzano la chimica del litio, perciò condividono con essa gli stessi vantaggi e svantaggi. I vantaggi chiave delle batterie LiFePO4, quanto comparati con le litio ossido di cobalto(LiCoO2), sono una maggiore resistenza termica, una maggiore resistenza all'invecchiamento, una più alta corrente di picco e l'utilizzo del ferro che, al contrario del cobalto, ha un minore impatto ambientale.
Gli accumulatori LFP hanno alcune caratteristiche peculiari, che possiamo riassumere in vantaggi e svantaggi.


Vantaggi:
- Molte batterie LFP hanno una bassa corrente di auto-scarica.
- La vita media delle LFP, se usate al 90% della capacità nominale, supera abbondantemente i 2000 cicli completi di vita utile.
- Anche sottoposte a grossi carichi, danno una ottima stabilità in tensione.

Svantaggi:
- L'energia specifica di un accumulatore LFP è inferiore ad un accumulatore LiCoO2, anche se i vari produttori stanno investendo per risolvere questo divario.
- Le batterie, se nuove, possono subire dei malfunzionamenti se scaricate più del 66%, quindi è consigliato un periodo di rodaggio. Questo, grazie all'introduzione di nuovi catodi, non è più necessario.
- Le batterie LFP soffrono durante la ricarica rapida. I nuovi catodi, introdotti da un paio d'anni, permettono correnti di carica pari anche a 5-7 volte la capacità nominale.


Per la sua stabilità, durata e sicurezza, fin dalla sua scoperta 15 anni fa il fosfato di litio e ferro (LFP) è stato considerato uno dei materiali più promettenti per le batterie ricaricabili. Tale batteria è stata al centro di importanti progetti di ricerca in tutto il mondo ed ha trovato utilizzo specialmente nei veicoli elettrici. Nonostante questo interesse diffuso, le caratteristiche insolite di carica e scarica di tali batterie non era mai stato chiarito. Di recente, grazie alle ricerche del MIT si sono avuti risultati sorprendenti che mostrano come il materiale si comporti in modo diverso da quanto si potesse supporre il che non potrà non contribuire alla scoperta di nuove batterie.


Quando fu scoperta, tale batteria, fu considerata utile solo per applicazioni a bassa potenza. Successivamente si è compreso come le prestazioni potessero essere migliorate con l’utilizzo sotto forma di nanoparticelle, approccio che ha reso tale tipo di batteria molto più fruibile. Tuttavia le ragioni per le quali le nanoparticelle di LiFePO4 dessero risultati così soddisfacenti non erano mai state chiarite a sufficienza. Si riteneva che il processo per il quale il materiale, durante il processo di carica o scarica si separasse in due fasi con diversa concentrazione di ione litio, fosse imputabile a una bassa capacità di alimentazione del materiale.


La nuova ricerca mostra che, appena sotto la corrente critica, il materiale passa attraverso uno stato di “soluzione quasi solida” durante il quale non ha il tempo di completare la separazione di fase cosa che spiega il motivo per il quale tale materiale si presta così bene nelle batterie ricaricabili.
Mentre la maggior parte delle analisi erano state fatte a livello di atomi e molecole, è stato scoperto che i fenomeni chiave possono essere rilevati solo sulla scala delle stesse nanoparticelle che sono molte migliaia di volte più grandi.










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