リチウム-イオン vs LiFePO4: エネルギー貯蔵電池はどちらが優れていますか?

家庭用または小規模な商用ストレージ システムを購入する人は、最終的には同じ会話に遭遇します。営業担当者はリチウム-イオンについて言及し、次に同時に LiFePO4 についても言及し、技術的にはどちらもリチウム電池の範疇に入ることから、この 2 つを基本的に互換性があるものとして扱います。それらは交換可能ではありません。これらはまったく異なる化学物質に基づいて構築されており、その違いは、バッテリーの安全性、持続時間、特定のサイズにどれだけのエネルギーが詰め込まれるか、そして最終的にはシステムの耐用年数全体でどれくらいのコストがかかるかに現れます。

住宅用バックアップ システムであれ、小規模な商業設備であれ、販売するために調達している製品であれ、どの化学反応が実際にプロジェクトに適合するかを見極めようとしている場合、これら 2 種類の電池を別の名前の同じものとして扱うマーケティング用語に頼るのではなく、これら 2 種類の電池の内部で実際に何が起こっているのかを理解することが役立ちます。ここでの賭け金は、携帯電話のバッテリーやラップトップのバッテリーを選ぶこととは少し異なります。家庭や企業内に設置されたエネルギー貯蔵バッテリーは、10 年以上稼働し、ほぼ毎日自転車に乗り、居住スペース内またはその近くに駐車している間、これらすべてを安全に行うことが期待されます。これは、一度に数時間持ち歩くデバイスに電力を供給するのとはまったく異なる仕事であり、化学の会話が人々が当初期待するよりもここで重要である理由の 1 つはこれです。

リチウム-イオンを実際に LiFePO4 から分離するものは何ですか

「リチウム-イオン」という用語は、技術的には電池の化学反応全体を指しますが、日常的な会話では通常、家電製品や電気自動車で主流となっている NMC (ニッケル マンガン コバルト) または NCA (ニッケル コバルト アルミニウム) の正極タイプを意味します。 LiFePO4、つまりリン酸鉄リチウムも、広い技術的な意味ではリチウムイオン電池です。しかし、これは完全に異なる正極材料を使用しており、NMC や NCA セルに見られるニッケル-化合物の代わりにリン酸鉄構造を中心に構築されています。

このカソード材料の選択が、2 つの間のほぼすべての実際的な違いの根本原因です。 LiFePO4 のリン酸鉄結合は、標準的なリチウム-イオンのニッケル-コバルト構造よりも化学的に安定しており、高温でも結合を保持します。これが、LiFePO4 が熱、過充電、および物理的損傷をより適切に処理する根本的な理由です。これは、リン酸鉄がニッケル-の代替物ほど原子あたりのエネルギーを蓄えないため、LiFePO4 が同じ物理的サイズにそれほど多くのエネルギーを詰め込むことができない理由でもあります。

安全性 - が最も話題となる-違い

熱暴走、つまりバッテリーセルが過熱し、ガスが放出され、発火する可能性がある連鎖反応は、化学的性質に応じて意味のある異なる温度で発生します。標準的な NMC リチウム- イオン セルは、特定の配合と充電状態に応じて、通常 150 度から 210 度の範囲で熱暴走を開始しますが、LiFePO4 セルは一般に 270 度以上に近づくまで同じ暴走閾値に達しないため、故障状態が実際の危険に変わる前に大幅に広い安全マージンが得られます。

生の温度閾値を超えると、LiFePO4 のリン酸鉄結合は、NMC の構造と比較して、分解したときに酸素をはるかにゆっくりと放出します。NMC の構造は、より容易に酸素を放出する傾向があり、一度火災が発生すると火災を引き起こす可能性があります。これが、LiFePO4 が、家庭や企業内に設置される定置型ストレージ用途の強力なデフォルトの選択肢となっている理由の 1 つであり、そこでは、バッテリーの故障による影響が、単に置いたり離れたりできるポータブル デバイスよりもはるかに深刻です。

一般的なWh/kgの比較

標準的な NMC リチウム- イオン電池は一般に 150 ～ 220 Wh/kg の範囲のエネルギー密度を供給しますが、LiFePO4 電池は通常 90 ～ 160 Wh/kg の範囲に収まります。これは実際に測定可能な差であり、同じ量のエネルギーを蓄えるリチウムイオン電池パックは、一般に同等の LiFePO4 パックよりも重量が軽く、占有する物理的スペースも少ないことを意味します。

これが固定ストレージよりもモバイル アプリケーションにとって重要である理由

このエネルギー密度の差は、電気自動車、ドローン、ポータブル電子機器にとって真に重要な要素であり、1キログラムや1立方インチが重要となります。ステーショナリーの場合エネルギー貯蔵電池システムがガレージ、地下室、またはユーティリティクローゼットに置かれている場合、ユニットは車のバッテリーのように持ち運ばれたり、厳しい積載量制限と戦ったりすることがないため、2 つの化学構造間の重量とサイズの違いはそれほど重要ではありません。

容量 80% までの一般的なサイクル数サイクル寿命とは、容量が元の定格の約 80% に低下するまでにバッテリーが何回の完全充電放電サイクルを処理できるかを意味し、LiFePO4 が決定的な優位性を持っている分野の 1 つです。{1}標準的な NMC リチウム- イオン セルは、使用条件に応じて約 500 ～ 1,500 サイクルで 80% の閾値に達するのが一般的ですが、LiFePO4 セルは同等の条件下で通常 2,000 ～ 6,000 サイクルに達し、一部の高品質セルではさらに高い評価が得られます。-

家庭用バックアップ システムがほぼ 1 日に 1 回サイクルする場合、定格 1,000 サイクルの NMC バッテリーは、容量の 80% マークに達するまでに毎日約 2.7 年間使用できます。一方、定格 4,000 サイクルの LiFePO4 バッテリーは、同じ毎日のサイクル パターンでその寿命をほぼ 11 年に伸ばします。このギャップは、ほとんどの住宅所有者や企業がストレージ システムへの投資に期待する 10 ～ 15 年の耐用年数を超えてさらに大きくなります。

LiFePO4 の初期費用が kWh 当たりのコストが高いことが多い理由LiFePO4 パックの製造コストは通常​​、標準の NMC リチウム- イオンよりも容量あたりの製造コストが若干高くなります。その理由の 1 つは、同等の使用可能容量を達成するには、エネルギー密度が低いためより多くのセル材料が必要になるためであり、また、LiFePO4 と組み合わせたバッテリー管理システムが、より長い予想耐用年数にわたってパックのバランスを適切に保つためにより洗練されている傾向にあるためです。

単にステッカー価格を比較するのではなく、総コストを予想されるサイクル数で割ると、多くの場合、計算は LiFePO4 に有利に反転します。 LiFePO4 システムは、前払い価格が 20 ～ 30% 高くなりますが、同等の NMC システムのサイクル寿命の 4 倍と評価されており、システムの実際の寿命にわたってサイクルあたりのコストが大幅に低くなります。これは、ストレージ システムを 10 年以上使用し続けることを計画している人にとって実際に重要な数字です。

家庭用エネルギー貯蔵電池バックアップ - LiFePO4 が一般的な選択肢である理由住宅用エネルギー貯蔵電池バックアップ システムである LiFePO4 は、ほとんどのメーカーや設置業者で標準的に推奨されるようになりました。その主な理由は、住宅所有者が重量や設置面積よりも、居住空間の内部または近くにある安全性と長期的な信頼性をはるかに重視しているためです。-ここでは、モバイル アプリケーションよりも長いサイクル寿命も重要です。これは、家庭用バックアップ システムが 10 年以上にわたって毎日の充放電サイクルを実行することが予想されるためです。-

商用およびグリッド規模のストレージ プロジェクトは、住宅用システムとほぼ同じロジックに従い、安全マージンとサイクル寿命の組み合わせで LiFePO4 が好まれますが、大規模な場合は、基礎化学の選択そのものと同じくらい、特定のメーカーのセル品質、熱管理設計、バッテリー管理システムの高度さが重要になり始めます。

標準のリチウム-イオンがまだ意味がある場合

標準の NMC または NCA リチウム-イオンは、エネルギー密度が真の決定要因となるアプリケーション、電気自動車、持ち運びが目的のポータブル発電所、および LiFePO4 が提供する安全マージンやサイクル寿命の利点よりも重量とサイズを最小限に抑えることが重要なあらゆるユースケースに最適です。

現実の-シナリオ - 住宅所有者がバックアップ システムの見積もりを比較する

家全体のバックアップ システムを購入している住宅所有者は、ほぼ同様の合計容量の 2 つの見積もりを受け取りました。1 つは、より低い初期価格で標準のリチウム イオン セルを使用したもので、もう 1 つは 25% 近く高い LiFePO4 を使用したものでした。-低い見積書は、価格だけを見れば魅力的に見えましたが、保証条件を詳しく見てみると、別のことが分かりました。リチウム- イオン システムには 80% の容量保持率で約 4,000 サイクルの定格で 10- 年保証が付いていますが、LiFePO4 システムは同じ 10 年保証ですが 6,000 サイクルの定格で、設置業者は、実際には、同様の毎日のサイクル使用の多くの LiFePO4 システムが、現場で 10 年経った後でも依然として容量の 80% をはるかに上回る性能を発揮していると指摘しました。

住宅所有者はまた、両方の設置業者に非常に単純な質問をしました。それは、バッテリーが損傷したりショートしたりした場合、バッテリーはどうなるのかということです。リチウム-イオン設置業者は、避難と消防署への通知を含む標準的な対応手順について説明しました。これは、リチウム電池の設置に関する非常に一般的なガイダンスですが、NMC- タイプの電池ではそのリスクがいかに真剣に扱われているかを強調しました。 LiFePO4 設置者は同様のプロトコルについて説明しましたが、そもそも重大な事故が発生する実際の可能性については著しく緩和し、その理由として化学物質の熱暴走閾値がはるかに高いことを指摘しました。

初期価格だけではなく、サイクルあたりのコストで数値を計算すると、LiFePO4 システムは、付属のガレージ内にバッテリー システムを設置することで安全マージンが追加されたことに加えて、予想される耐用年数を実際に上回りました。住宅所有者は LiFePO4 オプションを選択しましたが、これは、購入者がステッカー価格の比較を通り越して、代わりに生涯価値の比較を開始すると、繰り返し現れる決定パターンです。

リチウム-イオンと LiFePO4 - の並べて比較--

両方の化学に関連する規制および安全基準

固定保管用のUL 9540/UL 1973認証

米国で販売されている定置型エネルギー貯蔵システムは通常、システム レベルで UL 9540 認証を取得し、バッテリー レベルで UL 1973 認証を取得しています。どちらも、セルが使用する化学物質に関係なく、過充電、短絡、熱暴露などの乱用条件下での安全性能を評価しています。

生活空間内またはその近くに設置されるシステムの場合、第三者による安全認証は正式なものではありません。{0}これは、マーケティング コピーだけに依存するのではなく、メーカーの安全性主張を独自に検証するための真に信頼性の高い方法の 1 つであり、多くの地方消防法や保険契約では、これらの認証を設置要件として直接参照することが増えています。

業界トレンド - LiFePO4 が定置型ストレージのデフォルトになった理由

過去数年間、家庭用および小規模商業用ストレージ市場全体で、LiFePO4 が標準のリチウムイオンに代わってデフォルトの化学物質として着実に使用されてきました。{1}} LiFePO4 セルの製造コストの低下に加え、定置用途における他のリチウム化学物質に関連する大々的に報道された事件を受けて安全性に対する厳しい監視が高まっていることから、ほとんどの大手メーカーは、特に家庭用および業務用のバックアップ製品向けに LiFePO4 を標準化するよう促されています。ただし、エネルギー密度のトレードオフで依然として標準リチウム イオンが電気自動車において優勢であるにもかかわらず、{6}}。{7}}

この変化は、メーカーが自社製品をマーケティングする方法にも現れています。数年前、多くの家庭用バッテリー システムは、基礎となる化学反応をあまり重視せずに、単に「リチウム バッテリー バックアップ」として販売されていました。現在、評判の高いブランドのほとんどは、特に LiFePO4 をセールス ポイントとして掲げており、エネルギー貯蔵電池の購入を検討している購入者は、5 年前と比べても化学の知識が著しく向上しており、販売員の概要に完全に依存するのではなく、サイクル寿命や熱暴走のしきい値について直接尋ねることがよくあります。{3}}

注文前にどのようなテストデータと認証を求めるべきかサプライヤーに依頼する前に、現在の UL 9540 または UL 1973 認証文書とともに、単なる市販の定格ではなく実際のサイクル寿命テストデータをエネルギー貯蔵電池メーカーに問い合わせる価値があります。本格的なエネルギー貯蔵電池工場は、リクエストに応じてサードパーティのテスト レポートを作成できる必要があります。また、信頼できる卸売 LiFePO4 電池サプライヤーは、同じ化学カテゴリ内であってもセルの品質が大きく異なるため、特定のセル メーカーから調達していることを透明にする必要があります。-