Повна назва літій-залізо-фосфатної батареї - літій-залізо-фосфатна літій-іонна батарея, ця назва занадто довга, називається літій-залізо-фосфатною батареєю. Оскільки його продуктивність особливо підходить для застосування в електромережі, до назви додано слово «потужність», тобто літій-залізо-фосфатний акумулятор. Деякі люди також називають це «літієво-залізною (LiFe) батареєю».
Принцип роботи
Літій-залізо-фосфатна батарея відноситься до літій-іонної батареї, яка використовує фосфат літію-заліза як матеріал позитивного електрода. Основними матеріалами катода літій-іонних акумуляторів є літій-кобальт, літій-манганат, літій-нікель, потрійні матеріали, літій-залізофосфат тощо. Кобальтат літію є анодним матеріалом, який використовується в більшості літій-іонних батарей.
значення
На ринку торгівлі металами кобальт (Co) є найдорожчим і мало зберігається, нікель (Ni) і марганець (Mn) дешевші, а залізо (Fe) має більше зберігання. Ціна матеріалу анода також відповідає ціні цих металів. Тому літій-іонні акумулятори з катодних матеріалів LiFePO4 повинні бути досить дешевими. Ще одна його особливість – відсутність забруднення навколишнього середовища.
Вимоги до акумуляторної батареї: висока ємність, висока вихідна напруга, хороша продуктивність циклу заряду-розряду, стабільна вихідна напруга, високий струм заряду-розряду, електрохімічна стабільність, безпека у використанні (не викличе займання або вибуху через неправильну експлуатацію такі як перезаряд, перерозряд і коротке замикання), широкий діапазон робочих температур, нетоксичний або менш токсичний, не забруднює навколишнє середовище. Літій-залізо-фосфатні батареї, які використовують LiFePO4 як позитивний електрод, добре відповідають цим вимогам до продуктивності, особливо при розряді з великою швидкістю розряду (5 ~ 10C розряду), стабільній напрузі розряду, безпеці (без горіння, без вибуху), терміні служби (кількість циклів), і не забруднює навколишнє середовище, це найкращий, наразі найкращий потужний вихідний струм.
Будова і принцип роботи
LiFePO4, як позитивний електрод батареї, з’єднаний алюмінієвою фольгою з позитивним електродом батареї. Посередині знаходиться полімерна діафрагма, яка відокремлює позитивний електрод від негативного електрода, але іони літію Li можуть проходити через неї, а електрони e- не можуть проходити. Праворуч знаходиться негативний електрод батареї, що складається з вуглецю (графіту), який з’єднаний з негативним електродом батареї мідною фольгою. Між верхнім і нижнім кінцями батареї знаходиться електроліт батареї, а батарея закрита металевою оболонкою.
Коли акумулятор LiFePO4 заряджається, літій-іонний Li в позитивному електроді мігрує до негативного електрода через полімерну діафрагму; Під час процесу розряду іон літію Li в негативному електроді мігрує через діафрагму до позитивного електрода. Літій-іонні батареї отримали назву тому, що іони літію мігрують туди-сюди під час заряджання та розряджання.
Основна продуктивність
Номінальна напруга батареї LiFePO4 становить 3,2 В, напруга кінцевого заряду – 3,6 В, а напруга кінцевого розряду – 2.0В. Через різну якість і різну технологію матеріалів позитивних і негативних електродів і матеріалів електролітів, які використовуються різними виробниками, їх продуктивність буде дещо різною. Наприклад, одна і та ж модель (однакова упаковка стандартної батареї) має велику різницю в ємності акумулятора (від 10% до 20%).
Тут слід зазначити, що існують деякі відмінності в параметрах продуктивності літій-залізо-фосфатних акумуляторів, вироблених різними заводами; Крім того, деякі характеристики батареї не включені, наприклад внутрішній опір батареї, швидкість саморозряду, температура заряду та розряду.
Ємність літій-залізо-фосфатних батарей дуже різна, і їх можна розділити на три категорії: маленькі десяті до кількох міліампер, середні десятки міліампер і великі сотні міліампер. Існують також деякі відмінності в однакових параметрах різних типів акумуляторів.
Тест на перерозряд до нульової напруги:
Було проведено випробування розряду до нульової напруги літій-залізо-фосфатної акумуляторної батареї STL18650(1100мАг). Умови тестування: зарядіть акумулятор STL18650 ємністю 11{9}}0 зі швидкістю заряджання 0,5C, а потім розряджайте його зі швидкістю розряду 1,0C, доки напруга акумулятора не стане 0C. Потім батареї, поміщені в 0В, діляться на дві групи: одна група зберігається 7 днів, інша група зберігається 30 днів; Після закінчення терміну зберігання він заповнюється зі швидкістю заряджання 0,5C, а потім розряджається з 1,0C. Нарешті порівнюється різниця між двома періодами зберігання нульової напруги.
Результат тесту полягає в тому, що після 7 днів зберігання при нульовій напрузі батарея не має витоку, хороша продуктивність і ємність становить 100%; Після 30 днів зберігання відсутність витоку, хороша продуктивність, ємність 98%; Після 30 днів зберігання акумулятор заряджається і розряджається ще 3 цикли, і ємність відновлюється до 100%.
Цей тест показує, що навіть якщо літій-залізо-фосфатну батарею було розряджено (навіть до 0V) і зберігається протягом певного часу, батарея не витікає та не пошкоджується. Це функція, якої немає в інших типах літій-іонних батарей.
Перевага
1. Підвищення показників безпеки
Зв’язок PO в кристалі фосфату літію і заліза є стабільним і його важко розкласти, навіть за високої температури або перезаряду, він не руйнується, не нагрівається та не утворює сильних окислювачів, таких як оксид літію-кобальту, тому він має високу безпеку. Повідомлялося, що невелика частина зразка згоріла під час фактичної роботи голки або експерименту з коротким замиканням, але вибуху не було, а в експерименті з надлишковим зарядом використовувався заряд високої напруги, який значно перевищував саморозряд напруги кілька разів, і виявилося, що вибух все ще був. Проте його безпека від перезаряду була значно покращена порівняно зі звичайними літій-кобальт-оксидними батареями з рідким електролітом.
2. Покращення життя
Літій-залізо-фосфатна батарея — це літій-іонна батарея, яка використовує фосфат літію-заліза як матеріал позитивного електрода.
Тривалість циклу свинцево-кислотної батареї з тривалим терміном служби становить приблизно 300 разів, а максимум – 500 разів, тоді як літій-залізо-фосфатна батарея живлення має цикл роботи понад 2000 разів і стандартний заряд ({{5} }hour rate) можна використовувати 2000 разів. Свинцево-кислотна батарея тієї ж якості "нова півроку, стара півроку, технічне обслуговування та технічне обслуговування ще півроку", щонайбільше від 1 до 1,5 років, а літієво-залізо-фосфатні батареї використовуються за тих самих умов, теоретично життя досягне 7-8 років. Загалом, теоретично співвідношення продуктивності та ціни більше ніж у 4 рази вище, ніж у свинцево-кислотних батарей. Високий струм розряду може бути сильним струмом 2C швидка зарядка та розрядка, під спеціальним зарядним пристроєм, 1.5C зарядка може бути повністю заряджена протягом 40 хвилин, стартовий струм до 2C, і свинцево-кислотні батареї не мають такої продуктивності.
3. Хороші високотемпературні характеристики
Пікове значення фосфату літію заліза може досягати 350 градусів -500 градусів, тоді як манганат літію та кобальтат літію лише близько 200 градусів. Діапазон робочих температур широкий (-20C-- 75C), а електричний пік літій-залізофосфату може досягати 350 градусів -500 градусів, тоді як літій-марганцева кислота та літій-кобальтова кислота лише близько 200 градусів.
4. Велика місткість
Батареї часто працюють за умови, що вони повні і не розряджені, і ємність швидко стає нижчою за номінальну ємність, що називається ефектом пам'яті. Як і нікель-метал-гідридні, нікель-кадмієві батареї мають пам'ять, а літій-залізо-фосфатні батареї не мають цього явища, незалежно від того, в якому стані батарея знаходиться, її можна використовувати з зарядкою, без попередньої установки, а потім заряджання.
6. Легка вага
Об’єм і вага літій-залізо-фосфатної батареї такої ж ємності становить 2/3 об’єму і 1/3 ваги свинцево-кислотної батареї.
7. Охорона навколишнього середовища
Вважається, що літій-залізо-фосфатні батареї не містять важких металів і рідкісних металів (нікель-металогідридні батареї потребують рідкісних металів), нетоксичні (сертифікат SGS), не забруднюють, відповідають європейським нормам RoHS, для абсолютно екологічно чистих. сертифікат акумулятора. Таким чином, причиною оптимістичних налаштувань літієвих батарей у промисловості є головним чином міркування захисту навколишнього середовища, тому акумулятор був включений до національного плану розвитку високих технологій "863" протягом періоду "десятої п'ятирічки", і став ключовим національним проектом для підтримки та стимулювання розвитку. Зі вступом Китаю до СОТ обсяг експорту китайських електричних велосипедів швидко зросте, а електричні велосипеди, які надходять у Європу та Сполучені Штати, повинні бути оснащені екологічно чистими акумуляторами.
Однак деякі експерти стверджують, що забруднення навколишнього середовища свинцево-кислотними акумуляторами в основному відбувається в нестандартному виробничому процесі та процесі переробки підприємств. Подібним чином, літієві батареї належать до нової енергетичної промисловості, це добре, але це не може уникнути проблеми забруднення важкими металами. Свинець, миш'як, кадмій, ртуть, хром тощо при обробці металевих матеріалів можуть виділятися в пил і воду. Батарея сама по собі є хімічною речовиною, тому можна виробляти два види забруднення: один - забруднення технологічними відходами у виробничому проекті; По-друге, це забруднення батареї після утилізації.
Літій-залізо-фосфатні батареї також мають свої недоліки: такі як низькі температурні характеристики, мала позитивна щільність вібрації матеріалу, об’єм літій-залізо-фосфатних батарей тієї ж ємності більший, ніж літій-іонні батареї, такі як літій-кобальтова кислота, тому вони не мають перевага з точки зору мікробатареї. При використанні в батареях живлення літій-залізо-фосфатні батареї, як і інші батареї, повинні стикатися з проблемами консистенції батареї.
Недолік
Незалежно від того, чи має матеріал потенціал для розробки додатків, окрім зосередження на його перевагах, важливішим є те, чи має матеріал фундаментальні дефекти.
Зараз Китай зазвичай обирає фосфат літію-заліза як матеріал позитивного електрода для живлення літій-іонних акумуляторів, уряд, науково-дослідні установи, підприємства та навіть компанії з цінними паперами та інші аналітики ринку оптимістично дивляться на цей матеріал, як на розвиток літій-іонних акумуляторів. напрямок. Основні причини полягають у наступному: по-перше, під впливом напрямку досліджень і розробок у Сполучених Штатах, компанії Valence та A123 у Сполучених Штатах першими використовували фосфат літію заліза як матеріал позитивного електрода для літій-іонних батарей. По-друге, не було вітчизняного виробництва літій-манганатних матеріалів з хорошими високотемпературними циклічними властивостями та властивостями зберігання для силових літій-іонних батарей. Однак літій-залізофосфат також має фундаментальні дефекти, які не можна ігнорувати, які можна підсумувати таким чином:
1. У процесі спікання приготування фосфату літію заліза оксид заліза має можливість відновлюватися до елементарного заліза у відновній атмосфері при високій температурі. Елементарне залізо може спричинити мікрокоротке замикання батареї та є найбільш забороненою речовиною в батареї. Це також основна причина, чому Японія не використовує цей матеріал як матеріал позитивного електрода для живлення літій-іонних батарей.
2. Літій-залізофосфат має деякі дефекти продуктивності, такі як щільність вібрації та щільність ущільнення дуже низька, що призводить до низької щільності енергії літій-іонних батарей. Низькотемпературні характеристики погані, навіть нано та карбонове покриття не вирішило цю проблему. Доктор Дон Хіллебранд, директор Центру систем накопичення енергії в Аргоннській національній лабораторії в Сполучених Штатах, коли говорив про низькотемпературні характеристики літій-залізо-фосфатних батарей, він використав жахливі слова, щоб описати результати тестування літій-залізо-фосфатних літій-іонних батарей. що літій-залізо-фосфатні батареї за низьких температур (нижче 0 градусів C) не можуть запустити електромобілі. Хоча деякі виробники стверджують, що швидкість збереження ємності літій-залізо-фосфатних акумуляторів хороша при низьких температурах, це стосується малого струму розряду та низької напруги відключення розряду. У цьому випадку пристрій взагалі не почне працювати.
3. Витрати на підготовку матеріалу та виготовлення батареї вищі, ресурс батареї низький, а консистенція погана. Нанометрове та вуглецеве покриття фосфату літію заліза покращує електрохімічні характеристики матеріалу, але також створює інші проблеми, такі як зниження щільності енергії, збільшення витрат на синтез, низька продуктивність обробки електродів та суворі екологічні вимоги. Незважаючи на те, що хімічні елементи Li, Fe та P у фосфаті заліза літію дуже багаті, а вартість низька, вартість підготовленого продукту фосфату заліза літію не є низькою, навіть якщо витрати на ранні дослідження та розробки видалені, вартість процесу матеріал плюс висока вартість підготовки батареї призведе до того, що кінцева вартість накопичення енергії буде вищою.
4. Погана консистенція продукту. На даний момент у Китаї немає заводу з виробництва фосфатів літію і заліза, щоб вирішити цю проблему. З точки зору підготовки матеріалу, синтез літій-залізофосфату є складною багатофазною реакцією з твердофазним фосфатом, оксидом заліза та літієвою сіллю, а також попередником вуглецю та відновною газовою фазою. У цьому складному процесі реакції важко забезпечити послідовність реакції.
5. Питання інтелектуальної власності. В даний час основний патент на фосфат літію і заліза належить Техаському університету, а патент на вуглецеве покриття - канадці. Ці два основні патенти неможливо обійти, якщо розрахувати вартість роялті, вартість продукту буде ще більше збільшена.
Крім того, виходячи з досвіду досліджень, розробки та виробництва літій-іонних акумуляторів, Японія є першою країною, яка комерціалізувала літій-іонні акумулятори, і завжди займала ринок високоякісних літій-іонних акумуляторів. Хоча Сполучені Штати лідирують у деяких фундаментальних дослідженнях, вони поки що не мають великого виробника літій-іонних акумуляторів. Тому для Японії доцільніше вибрати модифікований марганат літію як матеріал позитивного електрода для динамічних літій-іонних акумуляторів. Навіть у Сполучених Штатах використання фосфату літію, заліза та манганату літію як енергетичних виробників катодного матеріалу для літій-іонних акумуляторів однаково розділено, і федеральний уряд також підтримує розвиток обох систем. З огляду на вищезазначені проблеми, які існують у фосфаті заліза літію, його важко широко використовувати як матеріал позитивного електрода для живлення літій-іонних акумуляторів у таких галузях, як нові транспортні засоби. Якщо ми зможемо вирішити проблему поганого високотемпературного циклу та продуктивності зберігання манганату літію з його перевагами низької вартості та високої продуктивності, це матиме великий потенціал у застосуванні динамічних літій-іонних батарей.
