El nom complet de la bateria de fosfat de ferro de liti és bateria d'ions de liti de fosfat de ferro de liti, aquest nom és massa llarg, s'anomena bateria de fosfat de ferro de liti. Com que el seu rendiment és especialment adequat per a aplicacions d'energia, s'afegeix la paraula "potència" al nom, és a dir, bateria de fosfat de ferro de liti. Algunes persones també l'anomenen "bateria de ferro de liti (LiFe)".
Principi de funcionament
La bateria de fosfat de ferro de liti es refereix a una bateria d'ions de liti que utilitza fosfat de ferro de liti com a material d'elèctrode positiu. Els principals materials de càtode de les bateries d'ions de liti són cobalt de liti, manganat de liti, níquel de liti, materials ternaris, fosfat de ferro de liti, etc. El cobaltat de liti és el material de l'ànode utilitzat en la majoria de bateries d'ions de liti.
importància
En el mercat de comerç de metalls, el cobalt (Co) és el més car i té poc emmagatzematge, el níquel (Ni) i el manganès (Mn) són més barats i el ferro (Fe) té més emmagatzematge. El preu del material de l'ànode també està en línia amb el preu d'aquests metalls. Per tant, les bateries d'ions de liti fetes amb materials càtods LiFePO4 haurien de ser força barates. Una altra característica és que no contamina el medi ambient.
Com a bateria recarregable, els requisits són: alta capacitat, alt voltatge de sortida, bon rendiment del cicle de càrrega-descàrrega, tensió de sortida estable, càrrega-descàrrega d'alta corrent, estabilitat electroquímica, seguretat en l'ús (no provocarà combustió o explosió a causa d'un funcionament inadequat). com ara sobrecàrrega, sobredescàrrega i curtcircuit), ampli rang de temperatures de funcionament, no tòxic o menys tòxic, sense contaminació per al medi ambient. Les bateries de fosfat de ferro de liti que utilitzen LiFePO4 com a elèctrode positiu són bones en aquests requisits de rendiment, especialment en descàrrega de gran velocitat de descàrrega (descàrrega 5 ~ 10C), tensió de descàrrega estable, seguretat (sense combustió, sense explosió), vida útil (nombre de cicles), i sense contaminació per al medi ambient, és el millor, actualment és la millor bateria de sortida d'alta corrent.
Estructura i principi de funcionament
LiFePO4, com a elèctrode positiu de la bateria, està connectat per paper d'alumini a l'elèctrode positiu de la bateria. Al mig hi ha un diafragma de polímer, que separa l'elèctrode positiu de l'elèctrode negatiu, però l'ió de liti Li pot passar i l'electró e- no pot passar. A la dreta hi ha l'elèctrode negatiu de la bateria compost de carboni (grafit), que està connectat amb l'elèctrode negatiu de la bateria mitjançant una làmina de coure. Entre els extrems superior i inferior de la bateria hi ha l'electròlit de la bateria i la bateria està segellada per una carcassa metàl·lica.
Quan es carrega la bateria LiFePO4, l'ió de liti Li de l'elèctrode positiu migra a l'elèctrode negatiu a través del diafragma de polímer; Durant el procés de descàrrega, l'ió de liti Li de l'elèctrode negatiu migra a través del diafragma fins a l'elèctrode positiu. Les bateries d'ions de liti s'anomenen perquè els ions de liti migren cap endavant i cap enrere mentre es carreguen i es descarreguen.
Actuació principal
La tensió nominal de la bateria LiFePO4 és de 3,2 V, la tensió de càrrega de terminació és de 3,6 V i la tensió de descàrrega de terminació és de 2,0V. A causa de la diferent qualitat i procés dels materials d'elèctrodes positius i negatius i dels materials electròlits utilitzats per diversos fabricants, el seu rendiment serà una mica diferent. Per exemple, el mateix model (el mateix paquet de bateria estàndard), la seva capacitat de bateria té una gran diferència (del 10% al 20%).
Cal assenyalar aquí que hi ha algunes diferències en els paràmetres de rendiment de les bateries de potència de fosfat de ferro de liti produïdes per diferents fàbriques; A més, hi ha alguns rendiments de la bateria no inclosos, com ara la resistència interna de la bateria, la velocitat d'autodescàrrega, la temperatura de càrrega i descàrrega.
La capacitat de les bateries de potència de fosfat de ferro de liti és molt diferent i es pot dividir en tres categories: dècimes petites a uns quants mil·liamperes, desenes de mil·liampers de mida mitjana i centenars de mil·liampers grans. També hi ha algunes diferències en els mateixos paràmetres de diferents tipus de bateries.
Prova de sobredescàrrega a tensió zero:
Es va dur a terme la prova de descàrrega a tensió zero de la bateria de potència de fosfat de ferro de liti STL18650(1100mAh). Condicions de la prova: carregueu la bateria d'1100mAh STL18650 amb una velocitat de càrrega de 0,5 C i, a continuació, descarregueu-la amb una velocitat de descàrrega d'1,0 C fins que la tensió de la bateria sigui 0 C. A continuació, les bateries col·locades a 0V es divideixen en dos grups: un grup s'emmagatzema durant 7 dies, l'altre grup s'emmagatzema durant 30 dies; Un cop caduca l'emmagatzematge, s'omple amb una velocitat de càrrega de 0,5 C i després es descarrega amb 1,0 C. Finalment, es compara la diferència entre els dos períodes d'emmagatzematge de tensió zero.
El resultat de la prova és que després de 7 dies d'emmagatzematge de tensió zero, la bateria no té fuites, bon rendiment i la capacitat és del 100%; Després de 30 dies d'emmagatzematge, sense fuites, bon rendiment, capacitat del 98%; Després de 30 dies d'emmagatzematge, la bateria es carrega i es descarrega durant 3 cicles més i la capacitat es restaura al 100%.
Aquesta prova mostra que fins i tot si la bateria de fosfat de ferro de liti s'ha descarregat (fins i tot a 0V) i s'ha emmagatzemat durant un temps determinat, la bateria no es filtrarà ni es farà malbé. Aquesta és una característica que altres tipus de bateries d'ions de liti no tenen.
Avantatge
1. Millora del rendiment de seguretat
L'enllaç PO del cristall de fosfat de ferro de liti és estable i difícil de descompondre, fins i tot a altes temperatures o sobrecàrrega, no col·lapsarà i escalfarà ni formarà substàncies oxidants fortes com l'òxid de cobalt de liti, de manera que té una bona seguretat. S'ha informat que una petita part de la mostra es va cremar en el funcionament real de l'experiment d'agulla o de curtcircuit, però no hi va haver cap esdeveniment d'explosió i l'experiment de sobrecàrrega va utilitzar una càrrega d'alta tensió que superava molt l'autodescàrrega. tensió diverses vegades, i es va comprovar que encara hi havia una explosió. Tanmateix, la seva seguretat de sobrecàrrega s'ha millorat molt en comparació amb les bateries d'òxid de cobalt de liti d'electròlit líquid ordinària.
2. La millora de la vida
La bateria de fosfat de ferro de liti és una bateria d'ions de liti que utilitza fosfat de ferro de liti com a material d'elèctrode positiu.
La vida útil de la bateria de plom-àcid de llarga durada és d'unes 300 vegades i la màxima és de 500 vegades, mentre que la bateria de fosfat de ferro de liti té una vida útil de més de 2000 vegades i la càrrega estàndard ({{5} }horari) es pot utilitzar 2000 vegades. La mateixa bateria de plom-àcid de qualitat és "nou mig any, vell mig any, manteniment i manteniment durant mig any més", com a màxim d'1 a 1,5 anys, i les bateries de fosfat de ferro de liti s'utilitzen en les mateixes condicions, les teòriques. la vida arribarà entre 7 i 8 anys. Consideració general, la relació preu de rendiment és més de 4 vegades la de les bateries de plom-àcid en teoria. La descàrrega d'alta corrent pot ser una càrrega i descàrrega ràpida de 2C d'alta corrent, sota el carregador especial, la càrrega de 1,5C es pot carregar completament en 40 minuts, el corrent d'inici fins a 2C i les bateries de plom-àcid no tenen aquest rendiment.
3. Bon rendiment a alta temperatura
El valor màxim del fosfat de ferro de liti pot arribar als 350 graus -500 graus, mentre que el manganat de liti i el cobaltat de liti són només uns 200 graus. El rang de temperatures de funcionament és ampli (-20C{-- 75C) i el pic elèctric del fosfat de ferro de liti pot arribar als 350 graus -500 graus, mentre que l'àcid de manganès de liti i l'àcid de cobalt de liti només són uns 200 graus.
4. Gran capacitat
Les bateries sovint funcionen amb la condició que estiguin plenes i no descarregades, i la capacitat serà ràpidament inferior al valor de la capacitat nominal, que s'anomena efecte memòria. Igual que l'hidrur de níquel-metall, les bateries de níquel-cadmi tenen memòria i les bateries de fosfat de ferro de liti no tenen aquest fenomen, independentment de l'estat en què es trobi la bateria, es pot utilitzar amb la càrrega, sense col·locar-la primer i després carregar-la.
6. Pes lleuger
El volum i el pes d'una bateria de fosfat de ferro de liti amb la mateixa capacitat és 2/3 del volum i 1/3 del pes d'una bateria de plom-àcid.
7. Protecció del Medi Ambient
Les bateries de fosfat de ferro de liti generalment es consideren lliures de metalls pesants i metalls rars (les bateries d'hidrur metàl·lic de níquel necessiten metalls rars), no tòxiques (certificació SGS), lliures de contaminació, d'acord amb la normativa europea RoHS, per al verd absolut. certificat de bateria. Per tant, la raó per la qual les bateries de liti són optimistes per part de la indústria són principalment consideracions de protecció del medi ambient, de manera que la bateria s'ha inclòs al pla nacional de desenvolupament d'alta tecnologia "863" durant el període del "desè pla quinquennal". i s'ha convertit en un projecte clau nacional per donar suport i fomentar el desenvolupament. Amb l'adhesió de la Xina a l'OMC, el volum d'exportació de bicicletes elèctriques de la Xina augmentarà ràpidament i les bicicletes elèctriques que entren a Europa i als Estats Units han d'estar equipades amb bateries lliures de contaminació.
Tanmateix, alguns experts van dir que la contaminació ambiental causada per les bateries de plom-àcid es produeix principalment en el procés de producció no estàndard i el procés de reciclatge de les empreses. De la mateixa manera, les bateries de liti pertanyen a la nova indústria energètica és bona, però no pot evitar el problema de la contaminació per metalls pesants. El plom, l'arsènic, el cadmi, el mercuri, el crom, etc. en el processament de materials metàl·lics es poden alliberar a la pols i l'aigua. La bateria en si és una substància química, de manera que és possible produir dos tipus de contaminació: una és la contaminació dels residus del procés en el projecte de producció; El segon és la contaminació de la bateria després del desballestament.
Les bateries de fosfat de ferro de liti també tenen els seus desavantatges: com ara un rendiment baix a baixa temperatura, una petita densitat de vibració positiva del material, el volum de les bateries de fosfat de ferro de liti de la mateixa capacitat és més gran que les bateries d'ions de liti com l'àcid cobalt de liti, de manera que no té un avantatge pel que fa a les micro-bateries. Quan s'utilitzen en bateries d'energia, les bateries de fosfat de ferro de liti, com altres bateries, han d'afrontar problemes de consistència de la bateria.
Mancança
Tant si un material té el potencial per al desenvolupament d'aplicacions, a més de centrar-se en els seus avantatges, el més crític és si el material té defectes fonamentals.
La Xina generalment tria el fosfat de ferro de liti com a material d'elèctrode positiu per a bateries d'ions de liti d'energia, des del govern, institucions de recerca científica, empreses i fins i tot empreses de valors i altres analistes de mercat són optimistes sobre aquest material, com a desenvolupament de bateries d'ions de liti. direcció. Els motius són principalment els següents: en primer lloc, afectats per la direcció d'investigació i desenvolupament dels Estats Units, les empreses Valence i A123 dels Estats Units van ser les primeres a utilitzar fosfat de ferro de liti com a material d'elèctrode positiu de bateries d'ions de liti. En segon lloc, no hi ha hagut cap preparació domèstica de materials de manganat de liti amb bones propietats de cicle i emmagatzematge d'alta temperatura per a bateries d'ió de liti. Tanmateix, el fosfat de ferro de liti també té defectes fonamentals que no es poden ignorar, que es poden resumir de la següent manera:
1. En el procés de sinterització de la preparació de fosfat de ferro de liti, l'òxid de ferro té la possibilitat de reduir-se a ferro elemental en una atmosfera reductora d'alta temperatura. El ferro elemental pot provocar un micro curtcircuit de la bateria i és la substància més tabú de la bateria. Aquesta és també la raó principal per la qual el Japó no ha utilitzat aquest material com a material d'elèctrode positiu per alimentar bateries d'ió de liti.
2. El fosfat de ferro de liti té alguns defectes de rendiment, com ara la densitat de vibració i la densitat de compactació és molt baixa, el que resulta en una baixa densitat d'energia de les bateries d'ió de liti. El rendiment a baixa temperatura és deficient, fins i tot el recobriment nano i de carboni no va resoldre aquest problema. El Dr. Don Hillebrand, director del Centre del Sistema d'emmagatzematge d'energia del Laboratori Nacional d'Argonne als Estats Units, quan parlava del rendiment a baixa temperatura de les bateries de fosfat de ferro de liti, va utilitzar terriblement per descriure els resultats de les proves de les bateries d'ions de liti i ferro fosfat de liti. que les bateries de fosfat de ferro de liti a temperatures baixes (per sota de 0 graus C) no poden fer funcionar els vehicles elèctrics. Tot i que alguns fabricants afirmen que la taxa de retenció de capacitat de les bateries de fosfat de ferro de liti és bona a baixes temperatures, ho és en el cas de corrent de descàrrega petita i tensió de tall de descàrrega baixa. En aquest cas, el dispositiu no començarà a funcionar en absolut.
3. El cost de preparació del material i el cost de fabricació de la bateria és més alt, el rendiment de la bateria és baix i la consistència és deficient. El nanòmetre i el revestiment de carboni de fosfat de ferro de liti milloren el rendiment electroquímic del material, però també aporten altres problemes, com ara la reducció de la densitat d'energia, l'augment dels costos de síntesi, el rendiment deficient del processament dels elèctrodes i els requisits ambientals durs. Tot i que els elements químics Li, Fe i P en fosfat de ferro de liti són molt rics i el cost és baix, el cost del producte de fosfat de ferro de liti preparat no és baix, fins i tot si s'elimina el cost inicial de la investigació i desenvolupament, el cost del procés del El material més l'alt cost de preparació de la bateria farà que el cost d'emmagatzematge d'energia de la unitat final sigui més elevat.
4. Poca consistència del producte. Actualment, no hi ha cap fàbrica de material de fosfat de ferro de liti a la Xina per resoldre aquest problema. Des del punt de vista de la preparació del material, la síntesi de fosfat de ferro de liti és una reacció multifàsica complexa, amb fosfat en fase sòlida, òxid de ferro i sal de liti, a més de precursor de carboni i fase gasosa reductora. En aquest procés de reacció complex, és difícil assegurar la consistència de la reacció.
5. Aspectes de propietat intel·lectual. Actualment, la patent bàsica per al fosfat de ferro de liti és propietat de la Universitat de Texas, mentre que la patent de recobriment de carboni l'apliquen els canadencs. Aquestes dues patents bàsiques no es poden obviar, si es calcula el cost de la regalia, el cost del producte augmentarà encara més.
A més, a partir de l'experiència d'investigació, desenvolupament i producció de bateries d'ions de liti, el Japó és el primer país a comercialitzar bateries d'ions de liti i sempre ha ocupat el mercat de bateries d'ions de liti de gamma alta. Tot i que els Estats Units lideren algunes investigacions bàsiques, fins ara no tenen un gran fabricant de bateries d'ions de liti. Per tant, és més raonable que el Japó triï manganat de liti modificat com a material d'elèctrode positiu per a bateries dinàmiques d'ió de liti. Fins i tot als Estats Units, l'ús de fosfat de ferro de liti i manganat de liti com a fabricants de materials de càtode de bateria d'ions de liti es divideixen a parts iguals, i el govern federal també dóna suport al desenvolupament d'ambdós sistemes. Tenint en compte els problemes anteriors existents en el fosfat de ferro de liti, és difícil que s'utilitzi àmpliament com a material d'elèctrode positiu per alimentar bateries d'ió de liti en camps com els vehicles de nova energia. Si podem resoldre el problema del mal rendiment de cicle i emmagatzematge a alta temperatura del manganat de liti, amb els seus avantatges de baix cost i rendiment d'alta velocitat, tindrà un gran potencial en l'aplicació de bateries dinàmiques d'ió de liti.
