ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเปรียบเทียบกันอย่างไร

ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

ความเสถียรทางความร้อนและความเสี่ยงจากการร้อนเกินในแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

แบตเตอรี่ LiFePO4 มีความต้านทานต่อความร้อนได้ดีมากเนื่องจากโครงสร้างผลึกโอลิวีนพิเศษของมัน หลายคนไม่ทราบว่าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ชนิดนี้ภายใต้อุณหภูมิสุดขั้วนั้นดีกว่าแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ อย่างไร ตัวอย่างเช่น เซลล์ที่ใช้ฟอสเฟตเป็นฐานยังคงมีความเสถียรแม้อุณหภูมิจะสูงถึง 350 องศาเซลเซียส ซึ่งเท่ากับประมาณ 662 องศาฟาเรนไฮต์ ค่านี้สูงกว่าที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ NMC มาตรฐานสามารถทนได้มาก โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่ NMC จะเริ่มแสดงปัญหาเมื่ออุณหภูมิอยู่ระหว่าง 150 ถึง 200 องศาเซลเซียส (ประมาณ 302 ถึง 392 องศาฟาเรนไฮต์) สิ่งใดที่ทำให้ LiFePO4 มีความปลอดภัยสูง? พันธะที่แข็งแรงระหว่างโมเลกุลของฟอสฟอรัสและออกซิเจนช่วยยับยั้งปฏิกิริยาเอกซ์โซเธอร์มิกที่อาจนำไปสู่ภาวะ thermal runaway ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งหมายความว่าโอกาสที่จะเกิดเพลิงไหม้เมื่อแบตเตอรี่ถูกสัมผัสกับอุณหภูมิสูงนั้นมีน้อยมาก ทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้มีคุณค่าอย่างยิ่งในงานประยุกต์ใช้งานที่ความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุด

ความต้านทานต่อการชาร์จเกินและการคายประจุลึกในแบตเตอรี่ LiFePO4

เซลล์ LiFePO4 ทนต่อการชาร์จเกินได้สูงถึง 3.8V ต่อเซลล์—ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัด 3.6V สำหรับลิเธียมไอออนทั่วไป—โดยไม่ทำให้เกิดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ พวกมันยังคงความจุได้ 92% หลังจากผ่านการคายประจุลึก 2,000 รอบจนเหลือระดับประจุไฟฟ้า (SoC) 20% ซึ่งดีกว่าแบตเตอรี่ NMC ที่โดยทั่วไปสามารถรักษาระดับความจุได้เพียง 60–70% ในเงื่อนไขเดียวกัน

ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม

ผลการศึกษาปี 2023 จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตันพบว่า แบตเตอรี่ LiFePO4 สร้างความร้อนน้อยกว่า 40% ในระหว่างการชาร์จเร็ว เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC เคมีของแบตเตอรี่ที่ไม่มีโคบอลต์นี้ช่วยกำจัดปัจจัยสำคัญที่ก่อให้เกิดความไม่เสถียรทางความร้อน ตัวชี้วัดความปลอดภัยที่สำคัญแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบนี้:

กรณีศึกษา: เหตุการณ์การลุกลามความร้อนในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ LiFePO4 เทียบกับ NMC

ตามรายงานความปลอดภัยของแบตเตอรี่ปี 2024 ซึ่งพิจารณาเหตุการณ์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่อุตสาหกรรมประมาณ 12,000 กรณีในหลากหลายอุตสาหกรรม พบว่า แบตเตอรี่ LiFePO4 มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าอย่างชัดเจนเมื่อพิจารณาในแง่ของปัญหาความร้อน โดยประสบปัญหาภาวะความร้อนเกินควบคุม (thermal runaway) ที่อันตรายน้อยลงประมาณ 83 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประเภท NMC ยกตัวอย่างเช่น การติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้าล่าสุดแห่งหนึ่งทางตะวันตก วิศวกรจำเป็นต้องติดตั้งระบบรีบความร้อนแบบทำงานตลอดเวลาถึงสามระบบที่แยกจากกัน เพื่อให้ได้ระดับเสถียรภาพด้านความร้อนที่ใกล้เคียงกับระบบทั่วไปของแบตเตอรี่ LiFePO4 พื้นฐาน สิ่งนี้มีความแตกต่างอย่างมาก โดยเฉพาะในสถานที่ที่เข้าถึงยาก หรือพื้นที่ที่ไม่สามารถบำรุงรักษาเป็นประจำได้

อายุการใช้งานซ้ำ (Cycle Life) และความทนทานระยะยาวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต

การเปรียบเทียบอายุการใช้งานระหว่างแบตเตอรี่ LiFePO4 กับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

แบตเตอรี่ LiFePO4 มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปถึง 200–400% แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปจะเสื่อมสภาพลงเหลือ 80% ของความจุหลังจากประมาณ 1,000 รอบการชาร์จ ในขณะที่แบตเตอรี่ LiFePO4 ยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพได้ถึง 3,000–6,000 รอบภายใต้สภาวะปกติ ความทนทานนี้เกิดจากขั้วบวกที่ทำจากเหล็ก-ฟอสเฟตซึ่งมีความเสถียรและต้านทานการเสื่อมสภาพของโครงสร้างได้ดีกว่าขั้วบวกที่ใช้โคบอลต์

ความทนทานในระยะยาวภายใต้รอบการชาร์จ-ปล่อยไฟซ้ำๆ

มีสามปัจจัยที่ช่วยให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ LiFePO4 ยาวนานขึ้น:

• ความสามารถในการทนต่อระดับการคายประจุ (Depth of discharge) : ยังคงความจุได้ 85% หลังจาก 4,000 รอบที่ระดับ DoD 100% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC ที่เสื่อมสภาพอย่างมาก
• เสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า : เส้นโค้งการคายประจุแบบราบเรียบ (ค่ามาตรฐาน 3.2V) ช่วยลดแรงเครียดที่เกิดกับขั้วไฟฟ้า
• ทนต่อความร้อน : สูญเสียความจุน้อยกว่า 0.1% ต่อรอบที่อุณหภูมิ 45°C เมื่อเทียบกับ 0.3% ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป

ข้อมูลภาคสนามจากติดตั้งขนาดใหญ่แสดงให้เห็นว่า ระบบ LiFePO4 ยังคงความจุได้ 92% หลังจากการใช้งานแบบไซเคิลรายวันเป็นเวลา 12 ปี ตามรายงานการวิเคราะห์ระบบกักเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้าปี 2023

ข้อมูลอุตสาหกรรมเกี่ยวกับอายุการใช้งานเฉลี่ยของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP)

ผลการดำเนินงานจริงยืนยันผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการ:

• การจัดเก็บพลังงานสำหรับที่พักอาศัย : ตรวจสอบแล้วที่ 6,142 รอบ จนความจุลดลงเหลือ 80% (DNV GL 2023)
• แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า : ฝูงรถบัสไฟฟ้าในจีนรายงานว่าความจุคงเหลือ 91% หลังวิ่งครบ 500,000 กม.
• สำรองโทรคมนาคม : การติดตั้งสถานีฐานในแอฟริกาแสดงความน่าเชื่อถือในการทำงานที่ 98% ที่ระยะเวลา 15 ปี

ผลลัพธ์เหล่านี้สะท้อนการสูญเสียความจุรายปีน้อยกว่า 2% ในระบบที่ปรับแต่งแล้วสำหรับ LFP เทียบกับ 5–8% ในระบบลิเธียมไอออนทั่วไป

การเปรียบเทียบอัตราการคายประจุเองระหว่างเคมีภัณฑ์แบตเตอรี่ต่างๆ

แบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นผู้นำด้านความเสถียรขณะเก็บไว้

• ค่าจ่ายเองรายเดือน : 1.5–2% เมื่อเทียบกับ 3–5% สำหรับลิเธียมไอออนแบบ NMC
• การสูญเสียพลังงานต่อปี : ต่ำกว่า 15% ซึ่งต่ำกว่าลิเธียมไอออนแบบตะกั่วกรดที่มีการสูญเสีย 20–30%
• ประสิทธิภาพการคืนตัว : 99.3% หลังจากเก็บรักษาไว้หกเดือนที่อุณหภูมิ 25°C

การรวมกันของอายุการใช้งานยาวนานและการคายประจุเองต่ำนี้ ทำให้แบตเตอรี่ LiFePO4 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบพลังงานหมุนเวียนตามฤดูกาล และการใช้งานเป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองที่ใช้ไม่บ่อย

ความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพการส่งกำลังของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

การเปรียบเทียบความหนาแน่นของพลังงานระหว่างเทคโนโลยีแบตเตอรี่ LFP และ NMC

แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) ให้พลังงาน 150–205 Wh/kg เมื่อเทียบกับ 260–300+ Wh/kg สำหรับรูปแบบ NMC แม้ว่าช่องว่าง 25–40% นี้เคยจำกัดการใช้งาน LFP แต่ความก้าวหน้าของวัสดุแคโทดที่มีความหนาแน่นสูงกำลังผลักดันให้ LFP เข้าใกล้ 250 Wh/kg ความก้าวหน้านี้ทำให้ช่องว่างด้านประสิทธิภาพแคบลงในแอปพลิเคชันที่เคยถูกครอบงำโดย NMC

ผลกระทบของความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำกว่าต่อการใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานแบบคงที่

ความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่าของแบตเตอรี่ LFP ส่งผลให้ชุดแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่และหนักกว่าเมื่อพยายามเทียบระยะทางกับยานยนต์ไฟฟ้าประเภทอื่น แต่ยังมีอีกสิ่งหนึ่งที่ควรกล่าวถึง แบตเตอรี่เหล่านี้มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่ามาก โดยสามารถชาร์จได้มากกว่า 3,000 รอบ ซึ่งมากกว่าทางเลือกแบบ NMC ถึงสามเท่า อายุการใช้งานในระดับนี้ทำให้ LFP น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานเช่น รถส่งของหรือแท็กซี่ ที่ผู้ขับขี่ต้องการพลังงานที่เชื่อถือได้ทุกวัน โดยไม่จำเป็นต้องเน้นระยะทางสูงสุดต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง เมื่อพิจารณาการเก็บพลังงานไฟฟ้าในสถานที่คงที่ เช่น คลังสินค้าหรือระบบสำรองไฟ ข้อจำกัดเรื่องพื้นที่เพิ่มเติมนี้ไม่ใช่ปัญหาใหญ่อีกต่อไป สิ่งที่สำคัญที่สุดคือคุณสมบัติด้านความปลอดภัยและการทำงานที่ทนทานยาวนาน ซึ่งเป็นลักษณะมาตรฐานของเทคโนโลยี LFP

สมรรถนะด้านกำลังไฟ (ความสามารถในการจ่ายกระแส) ของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

แบตเตอรี่ LFP รุ่นใหม่รองรับ อัตราการคายประจุต่อเนื่อง 3–5C , ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการพลังงานสูง เช่น รถบรรทุกไฟฟ้า และเครื่องจักรอุตสาหกรรม นวัตกรรมล่าสุดช่วยให้ การชาร์จเร็วภายใน 15 นาที ในเซลล์ LFP ระดับพรีเมียม เทียบเท่าความเร็วการชาร์จของ NMC โดยไม่ลดทอนความปลอดภัยด้านความร้อน

ความเร็วในการชาร์จและลักษณะแรงดันของแบตเตอรี่ LiFePO4

แผ่นแบน แรงดัน 3.2V/เซลล์ ของ LFP ทำให้มีประสิทธิภาพคงที่ตลอดช่วงสถานะการประจุไฟฟ้า 20–90% ความเสถียรนี้ช่วยทำให้ระบบจัดการแบตเตอรี่ง่ายขึ้น และลดความเสี่ยงจากการชาร์จเกิน เมื่อเทียบกับเส้นโค้งแรงดันที่ชันกว่าของแบตเตอรี่ NMC

ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิต่ำและความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4/LFP) มีข้อได้เปรียบและข้อจำกัดที่ชัดเจนในสภาวะอุณหภูมิสุดขั้ว เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประเภทอื่น ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมของแบตเตอรี่ชนิดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประยุกต์ใช้งานตั้งแต่ยานยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงระบบกักเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน

สมรรถนะของแบตเตอรี่ LiFePO4 ในสภาวะอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

แบตเตอรี่ LiFePO4 ทำงานได้ดีที่สุดในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 0°C ถึง 45°C ที่ -10°C การแพร่กระจายของลิเธียมจะช้าลง 40% ส่งผลให้ความสามารถในการรับประจุลดลง อุณหภูมิที่สูงกว่า 50°C จะเร่งการเสื่อมสภาพเนื่องจากการละลายของเหล็กจากขั้วบวก ทำให้ความจุลดลง 0.8% ต่อรอบ

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตในสภาวะอุณหภูมิต่ำ

ที่ -20°C แบตเตอรี่ LFP สามารถจ่ายพลังงานได้เพียง 65% ของค่าความจุที่กำหนด และมีการลดลงของกำลังไฟ 70% — ข้อจำกัดเหล่านี้เกิดจากอิเล็กโทรไลต์กลายเป็นของแข็งและความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจึงจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ในสภาพอากาศหนาวเย็น

กลยุทธ์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ LFP ในสภาพอากาศหนาว

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในสภาวะอากาศหนาว แนวทางแก้ไขที่ใช้ในอุตสาหกรรม ได้แก่:

• วิศวกรรมอิเล็กโทรไลต์ : สารทำละลายที่มีฟลูออรีนช่วยลดจุดเยือกแข็งลงได้ถึง -40°C
• การให้ความร้อนแบบพัลส์ : การปล่อยกระแสไฟสั้นๆ ช่วยทำให้เซลล์อุ่นขึ้นถึง -10°C ภายใน 8 นาที
• วัสดุเปลี่ยนเฟส : ขี้ผึ้งพาราฟินช่วยควบคุมอุณหภูมิในการทำงานให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม (15–25°C) แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง

การติดตั้งในฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์แถบสแกนดิเนเวียแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์เหล่านี้ช่วยเพิ่มการรักษากำลังไฟในฤดูหนาวจาก 58% เป็น 82% ในแบตเตอรี่ธนาคาร LFP

คำถามที่พบบ่อย

อะไรทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอรอนฟอสเฟตปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนแบบดั้งเดิม?

แบตเตอรี่ LiFePO4 มีพันธะฟอสฟอรัส-ออกซิเจนที่แข็งแรง ซึ่งป้องกันปฏิกิริยาเอกซ์โซเทอร์มิกที่เป็นอันตราย ลดความเสี่ยงของการเกิดภาวะความร้อนเกินขีดจำกัดและไฟไหม้

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ LiFePO4 เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนแบบดั้งเดิมมีความแตกต่างกันอย่างไร?

แบตเตอรี่ LiFePO4 มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 200–400% โดยสามารถคงประสิทธิภาพได้ 3,000–6,000 รอบ เมื่อเทียบกับ 1,000 รอบของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนทั่วไป

กลยุทธ์ใดบ้างที่สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ LiFePO4 ในสภาพอากาศเย็น?

กลยุทธ์รวมถึงการออกแบบอิเล็กโทรไลต์โดยใช้สารทำละลายที่มีฟลูออรีน การให้ความร้อนแบบพัลส์ และการใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสเพื่อรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมในสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็น