در ابتدا باید بگوییم که تفاوت اصلی باتری های لیتیوم آهن فسفات و لیتیوم یون در مادهٔ کاتد است: باتری‌های لیتیوم یون متداول از کاتدهای مختلفی مانند اکسید کبالت، اکسید نیکل منگنز و ترکیب‌های دیگری بهره می‌برند، در حالی که لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) از فسفات آهن لیتیوم به عنوان کاتد استفاده می‌کند.
این تفاوت شیمیایی، نقشی تعیین‌کننده در ویژگی‌های ایمنی، چگالی انرژی، طول عمر، هزینه تولید، و رفتار حرارتی و چرخه شارژ باتری ایفا می‌کند. به عبارت دیگر، ما با دو انتخاب روبه‌رو هستیم که هر یک در یک یا چند جنبه نسبت به دیگری برتری دارند؛ انتخاب مناسب تابع نیازهای کاربردی، اولویت در ایمنی، وزن، اندازه و ملاحظات اقتصادی خواهد بود. برای مقایسه نمونه‌های مصرفی این فناوری‌ها می‌توانید دسته پاوربانک‌های شیائومی را نیز ببینید.
شیمی و ساختار داخلی؛ چرا مادهٔ کاتد مهم است؟
باتری‌ها انرژی را از طریق جابجایی یون لیتیوم بین کاتد و آند ذخیره و آزاد می‌کنند. در باتری‌های لیتیوم یون، کاتد می‌تواند از ترکیباتی چون LiCoO2، LiMn2O4، یا ترکیبات نیکل-منگنز-کبالت (NMC) باشد. این مواد معمولاً انرژی ویژهٔ بالاتری ارائه می‌دهند و به همین دلیل در دستگاه‌هایی که فضای محدود و نیاز به وزن کم دارند (مثل گوشی موبایل، لپ‌تاپ) ترجیح داده می‌شوند.
در مقابل، LiFePO4 از مادهٔ فسفات آهن لیتیوم برای کاتد استفاده می‌کند که از نظر ساختاری و شیمیایی پایدارتر است. این پایداری به معنای مقاومت بیشتر در برابر تجزیه هنگام دماهای بالا، احتمال کمتر در وقوع پدیدهٔ «فرار حرارتی» و آتش‌سوزی و رفتار قابل‌اطمینان‌تر تحت شرایط سخت است. البته این پایداری با هزینه همراه است: LiFePO4 دارای چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به لیتیوم یون است، یعنی برای همان مقدار انرژی ذخیره‌شده، حجم یا وزن بیشتری نیاز است.
چگالی انرژی و محدودهٔ کاربردها
یکی از معیارهای کلیدی در انتخاب باتری، چگالی انرژی یا انرژی در واحد حجم/وزن است. باتری‌های لیتیوم یونِ با کاتدهای پرانرژی (مثل NMC یا LiCoO2) در این پارامتر برتری دارند و بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به حداکثر برد یا کم‌وزن بودن تجهیزات دارند از جمله بخش بزرگی از خودروهای الکتریکی، ابزارهای الکترونیک مصرفی، برخی پهپادها و درون انتخاب غالب هستند.
LiFePO4 با چگالی انرژی پایین‌تر مناسب کاربردهایی است که فضای زیادی در دسترس است اما ایمنی و طول عمر اهمیت بیشتری دارند؛ مثلاً ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی خانگی یا صنعتی، سیستم‌های پشتیبان برق (UPS)، قایق‌ها، و کاروان‌ها.
ایمنی و پایداری حرارتی؛ LiFePO4 امن‌تر است
یکی از پررنگ‌ترین تفاوت‌ها میان این دو فناوری مربوط به ایمنی است. ساختار فسفات آهن لیتیوم به‌خاطر پایداری شیمیایی‌اش در برابر تجزیه شدن گرمایی مقاوم‌تر است؛ در نتیجه LiFePO4 کمتر مستعد بیش‌گرم‌شدن و آتش‌گرفتن است. این ویژگی باعث می‌شود در محیط‌هایی که احتمال ضربه مکانیکی، دماهای بالا یا شرایط شارژ و دشارژ تهاجمی وجود دارد، LFP گزینهٔ امن‌تری باشد. در مقابل، برخی ترکیبات کاتدِ لیتیوم یون می‌توانند در شرایط نامناسب (شارژ بیش از حد، دماهای بالا، نقص در مدار کنترل) وارد مرحلهٔ فرار حرارتی شوند که ممکن است به آتش‌سوزی یا انفجار منجر شود.
به همین دلیل، در کاربردهای حساس یا در حجم‌های بزرگِ پکیج‌های باتری (مانند ایستگاه‌های ذخیره‌سازی شبکه یا بخش‌هایی از ناوگان خودروهای برقی که ایمنی بر رانج ارجحیت دارد)، LiFePO4 اغلب ترجیح داده می‌شود.
طول عمر چرخه‌ای؛ هزینهٔ عمر عملیاتی
طول عمر چرخه‌ای (تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ تا رسیدن به ظرفیت قابل‌استفادهٔ پایین‌تر از حدود ۸۰٪) در تصمیم‌گیری صنعتی اهمیت بالایی دارد. LiFePO4 معمولاً توانایی تحمل چرخه‌های بیشتری دارد؛ برای مثال LFP می‌تواند تا بیش ۲۰۰۰ سیکل یا بیشتر تحت شرایط عادی دوام بیاورد، در حالی که برخی باتری‌های لیتیم یون متداول ممکن است حدود ۱۵۰۰ سیکل قبل از کاهش قابل‌توجه ظرفیت داشته باشند. این بدان معناست که اگر یک کاربرد نیاز به چرخه‌های مکرر و عمر بلندمدت دارد، باتری فسفات آهن لیتیوم گزینه مناسب تری است.
عملکرد شارژ/دشارژ و بازده انرژی
هر دو فناوری می‌توانند بازده شارژ و دشارژ بالایی ارائه دهند اما رفتارشان متفاوت است. باتری‌های لیتیوم یون معمولاً نرخ شارژ سریع‌تر و توان بالاتری برای چگالی توان (توان در واحد وزن یا حجم) دارند که برای کاربردهای نیازمند جریان‌های اوج قوی یا شارژ سریع مفید است. LiFePO4 ممکن است نرخ شارژ کمی کندتر داشته باشد اما در مقابل بازده انرژی بالایی در سیکل‌های متعدد حفظ می‌کند و خود تخلیهٔ کمتری نشان می‌دهد؛ این یعنی اگر باتری مدت طولانی بدون استفاده بماند، باتری فسفات آهن لیتیوم شارژ خود را بهتر نگه می‌دارد.
در کاربردهایی که توان لحظه‌ای بالا (پیک) مورد نیاز است، پیاده‌سازی دقیق پک سلولی و سیستم مدیریت توان نیز تأثیر زیادی دارد. به‌علاوه، رفتار در دماهای بالا و پایین متفاوت است: LiFePO4 در دماهای بالا پایداری بهتری دارد و کمتر دچار افت عملکرد می‌شود، اما در دماهای بسیار پایین ممکن است برخی انواع لیتیوم یون با فرمولاسیون‌های ویژه برتری داشته باشند.
ملاحظات دمایی
نگهداری و شرایط محیطی تأثیر مستقیمی روی عمر و ایمنی باتری دارد. LiFePO4 در دماهای بالا پایداری بهتری نشان می‌دهد و در نتیجه در محیط‌های گرم یا هنگامی که باتری در معرض بار حرارتی است، عملکرد مطمئن‌تری دارد.
نتیجه گیری
اگر فضای کمتری دارید و هر گرم و میلی‌متر حیاتی است، لیتیوم یون با چگالی انرژی بالا انتخاب می‌شود.
اگر ایمنی، طول عمر و پایداری حرارتی مهم‌اند، LiFePO4 منطقی‌تر است.