Bateriile cu litiu-fier fosfat sunt de fapt materiale electrod pozitive pentru bateriile litiu-ion, astfel încât oamenii îl vor numi baterii fosfat litiu-fier cu un electrod pozitiv.

principiul

Descrierea detaliată a bateriilor litiu-fosfat de fier Denumirea completă a bateriilor litiu-fosfat de fier este baterie litiu-fosfat de litiu-ion, denumirea este prea lungă, denumită baterie de litiu-fosfat de fier. Deoarece eficiența sa este deosebit de potrivită pentru aplicațiile de alimentare cu energie, cuvântul „putere” este adăugat la nume, și anume baterie litiu-fosfat de fier. Se mai numește și baterie reîncărcabilă litiu-fier (LiFe).

Acceptați înțelegerea corectă a principiului de funcționare, eficiență și avantaje și dezavantaje ale bateriilor fosfat litiu-fier

Principiul de funcționare

Bateriile litiu-fosfat de fier se referă la o baterie litiu-ion care folosește fosfat de litiu-fier ca material pozitiv al electrodului. Materialele pozitive pentru electrodul bateriilor litiu-ion includ în principal litiu cobalt, litiu manganat, litiu nichel, materiale ternare, fosfat de litiu-fier și altele asemenea. Dintre acestea, litiul cobalt este materialul pozitiv al electrodului utilizat în majoritatea bateriilor litiu-ion.

Pe piața de tranzacționare a metalelor, cobaltul (Co) este cel mai scump și cantitatea de stocare este mică. Nichelul (Ni) și manganul (Mn) sunt relativ ieftine, în timp ce fierul (Fe) este stocat în cantități mari. Prețul materialului catodic este, de asemenea, în conformitate cu prețul acestor metale. Prin urmare, o baterie litiu-ion fabricată din material electrod LiFePO4 pozitiv ar trebui să fie relativ ieftină. O altă caracteristică a acestui fapt este că este ecologic și nu poluează.

Cerințele pentru bateriile reîncărcabile sunt: ​​capacitate ridicată, tensiune de ieșire ridicată, comportament bun de încărcare și ciclu de descărcare, tensiune de ieșire stabilă, încărcare și descărcare ridicată, stabilitate electrochimică și siguranță în timpul funcționării (fără reîncărcare, descărcare și compus scurt), cum ar fi funcționarea necorespunzătoare cauzată prin ardere sau explozie), interval larg de temperatură de funcționare, netoxic sau mai puțin toxic, fără poluare a mediului. Bateriile litiu-fier fosfat care folosesc LiFePO4 ca electrod pozitiv au cerințe bune de performanță, în special la descărcări mari (5

Descărcare 10C), tensiune de descărcare stabilă, siguranță (fără combustie, fără explozie) și durata de viață (numărul ciclului) cel mai bun pentru mediu, aceasta este cea mai bună baterie de mare putere.

Structura și principiul funcționării

LiFePO4 este utilizat ca electrod pozitiv pentru baterie. Este conectat la electrodul pozitiv al bateriei printr-o folie de aluminiu. Partea de mijloc este un separator de polimeri. Separa electrodul pozitiv de cel negativ, dar ionul de litiu Li poate trece și electronul nu poate trece. Partea dreaptă este compusă din carbon (grafit). Electrodul negativ al bateriei este conectat prin folie de cupru la electrodul negativ al bateriei. Între capătul superior și inferior al bateriei se află electrolitul bateriei, iar bateria este închisă ermetic cu o carcasă metalică.

Când bateria LiFePO4 este încărcată, ionul de litiu Li din electrodul pozitiv migrează către electrodul negativ prin separatorul de polimeri; în timpul diluării, ionul de litiu Li din electrodul negativ migrează către electrodul pozitiv prin separator. Bateriile litiu-ion sunt numite după ce ionii de litiu migrează înainte și înapoi în timpul încărcării și descărcării.

Tensiunea nominală a bateriei LiFePO4 este de 3,2V, tensiunea de încărcare este de 3,6V și tensiunea de ieșire este de 2,0V. Datorită calității și procesului materialelor pozitive și negative și a materialelor electrolitice utilizate de diferiți producători, vor exista unele diferențe în performanța lor. De exemplu, același model (bateria standard din același pachet) are o diferență mare în capacitatea bateriei (10% până la 20%).

Trebuie remarcat faptul că bateriile litiu-fier fosfat fabricate de diferite plante pot avea unele diferențe în diferiții parametri de performanță; în plus, unele caracteristici ale bateriei, cum ar fi rezistența internă a bateriei, rata de auto-descărcare, temperatura de încărcare și descărcare și multe altele, nu sunt incluse.

Bateriile litiu-fier cu fosfat au diferențe mari de capacitate și pot fi împărțite în trei categorii: fracții mici de până la mai multe miliamperi, zeci medii de miliamperi și sute mari de miliamperi. Există unele diferențe în aceiași parametri pentru diferite tipuri de baterii.

Test de tensiune zero:

Bateria litiu-fosfat de fier STL18650 (1100mAh) a fost utilizată pentru un test de suprasarcină de tensiune zero. Condiții de testare: o baterie de 1100 mAh STL 18650 este încărcată la o viteză de încărcare de 0,5 C și apoi descărcată la o rată de descărcare de 1,0 C, în timp ce tensiunea bateriei este de 0 C. Bateriile plasate în 0V sunt împărțite în două grupe: un grup este stocat timp de 7 zile, iar celălalt grup este stocat timp de 30 de zile; după expirarea stocării, se încarcă la o rată de încărcare de 0,5 C și apoi se descarcă cu 1,0 C. În cele din urmă, comparați diferențele dintre cele două perioade de stocare cu tensiune zero.

Rezultatul testului este că bateria nu se scurge după depozitare timp de 7 zile cu tensiune zero și performanța este bună, capacitatea este de 100%; după 30 de zile de depozitare, fără scurgeri, munca este bună, capacitatea este de 98%; după 30 de zile de stocare, bateria este încărcată și descărcată suplimentar de 3 ori. Capacitatea este restabilită la 100%.

Acest test arată că, chiar dacă bateriile litiu-fosfat de fier sunt supraîncărcate (chiar și până la 0V) și depozitate pentru o anumită perioadă de timp, bateria nu va scurge sau va fi deteriorată. Aceasta este o caracteristică pe care alte tipuri de baterii litiu-ion nu o au.

1. Îmbunătățirea siguranței

Polietilena din cristalul de fosfat de litiu-fier este stabilă și dificil de descompus și nu se îngroașă sau se încălzește ca litiu-cobalt sau nu formează o substanță oxidantă puternică chiar și la temperaturi ridicate sau reîncărcare și, prin urmare, are o siguranță bună. S-a raportat că, în operațiunea reală, o mică parte a eșantionului a avut un fenomen de ardere în acupunctură sau scurtcircuit, dar nu a existat niciun caz de explozie. S-a folosit o tensiune înaltă în experimentul de suprasarcină, care a fost de câteva ori mai mare decât cea a tensiunii de auto-descărcare și s-a constatat că există încă un fenomen de explozie. Chiar și așa, siguranța la suprasarcină este semnificativ îmbunătățită în comparație cu bateria obișnuită de electrolit lichid-cobalt oxid de cobalt.

2, îmbunătăți viața

Bateriile litiu-fosfat de fier se referă la o baterie litiu-ion care folosește fosfat de litiu-fier ca material pozitiv al electrodului.

Bateria cu plumb cu durată lungă de viață are o durată de viață de aproximativ 300 de ori, iar cea mai mare este de 500 de ori. Bateria litiu-fosfat are un ciclu de viață de peste 2000 de ori, iar încărcarea standard (5 ore) poate fi utilizată de până la 2000 de ori. Același acumulator caloric plumb-acid este „nou jumătate de an, vechi jumătate de an, întreținere și întreținere timp de jumătate de an”, până la 1

1,5 ani, iar bateriile fosfat litiu-fier sunt utilizate în aceleași condiții, durata de viață teoretică va ajunge la 7

8 ani. Având în vedere că raportul preț/performanță este teoretic de peste patru ori mai mare decât cel al bateriilor cu plumb-acid. Curentul mare poate fi încărcat și descărcat rapid cu curent mare 2C. Sub încărcătorul special, bateria poate fi încărcată complet în 1,5 minute de la încărcare cu 1,5 C, iar curentul de pornire poate ajunge la 2 C, dar bateria cu amortizor de plumb-acid nu are performanțe similare.

3, temperatura ridicată este bună

Temperatura de vârf a fosfatului de litiu-fier poate atinge 350 ° C -500 ° C, în timp ce manganatul de litiu și litiu-cobalt sunt de aproximativ 200 ° C. Domeniu larg de temperatură de funcționare (-20C - 75C), rezistență la temperaturi ridicate, încălzire electrică cu fier de litiu pic de fosfat până la 350 ° C -500 ° C și manganat de litiu și oxid de litiu cobalt numai aproximativ 200 ° C.

4, capacitate mare

Bateria reîncărcabilă funcționează cu condiția ca deseori să fie plină și capacitatea să fie rapid mai mică decât capacitatea nominală. Acest fenomen se numește efect de memorie. La fel ca bateriile cu hidrură de nichel-metal și nichel-cadmiu, există memorie, iar bateriile cu fosfat de litiu-fier nu au acest fenomen. Indiferent de starea bateriei, aceasta poate fi utilizată la încărcare fără a fi nevoie să descărcați și să reîncărcați.

Volumul bateriilor litiu-fosfat de fier cu aceeași specificație este de 2/3 din volumul bateriei plumb-acid, iar greutatea este 1/3 din bateria plumb-acid.

6, protecția mediului

Bateriile litiu-fosfat de fier sunt considerate, în general, lipsite de metale grele și metale rare (bateriile Ni-MH necesită metale rare), netoxice (certificate SGS), nepoluante, conform directivelor europene RoHS, este un certificat absolut verde pentru baterie . Prin urmare, motivul pentru care bateriile cu litiu sunt preferate de industrie sunt în primul rând considerente de mediu. Prin urmare, bateria a fost inclusă în planul național de dezvoltare high-tech „863” în perioada „Planului cincinal al zecelea” și a devenit un proiect național de susținere și stimulare a dezvoltării naționale. Odată cu aderarea Chinei la OMC, volumul exporturilor de biciclete electrice către China va crește rapid, iar bicicletele electrice care intră în Europa și Statele Unite trebuie să fie echipate cu baterii care nu poluează.

Cu toate acestea, unii experți au spus că poluarea mediului cauzată de bateriile cu plumb-acid apare în principal în procesul de producție și în procesul de reciclare al întreprinderilor. În mod similar, bateriile cu litiu sunt bune în noua industrie a energiei, dar nu pot evita problema poluării cu metale grele. Plumb, arsenic, cadmiu, mercur, crom etc. poate fi separat în praf și apă în timpul prelucrării materialelor metalice. Bateria în sine este o substanță chimică, deci pot exista două tipuri de poluare: unul este procesul de contaminare a deșeurilor în procesul de producție; iar cealaltă este contaminarea bateriilor după resturi.

Bateriile cu litiu și fosfat de fier au, de asemenea, dezavantajele lor: de exemplu, performanța la temperatură scăzută scăzută, densitatea scăzută a electrodului pozitiv și capacitatea bateriilor cu litiu de fosfat de fier cu aceeași capacitate sunt mai mari decât bateriile cu litiu-ion, cum ar fi oxidul de litiu-cobalt, baterii. Atunci când sunt utilizate într-o baterie reîncărcabilă, bateriile litiu-fosfat de fier, la fel ca alte baterii, trebuie să se confrunte cu probleme cu bateria constantă.

Dacă un material are potențialul de a dezvolta aplicații, pe lângă faptul că se concentrează asupra avantajelor sale, este mai important dacă materialul are defecte fundamentale.

Fosfatul de litiu-fier este utilizat pe scară largă ca electrod pozitiv pentru bateriile litiu-ion din China. Analiștii de piață, cum ar fi guvernul, instituțiile de cercetare, întreprinderile și chiar companiile de valori mobiliare, sunt optimisti cu privire la acest material ca direcție de dezvoltare a bateriilor litiu-ion. Analiza cauzelor are în principal următoarele două puncte: În primul rând, impactul cercetării și dezvoltării SUA, companiile americane Valence și A123 au folosit mai întâi fosfatul de litiu-fier ca material catodic pentru bateriile litiu-ion. În al doilea rând, nu a existat nicio pregătire a materialelor litiu-mangan cu cicluri bune de temperatură și proprietăți de depozitare pentru utilizarea în baterii puternice litiu-ion. Cu toate acestea, fosfatul de litiu-fier are și defecte fundamentale care nu pot fi ignorate. Principalele puncte sunt următoarele:

1. În timpul procesului de sinterizare în prepararea fosfatului de litiu-fier, oxidul de fier este probabil redus la fier elementar într-o atmosferă de reducere a temperaturii. Fierul elementar poate provoca un mic scurtcircuit în baterie, care este cea mai tabuă substanță din baterie. Acesta este principalul motiv pentru care Japonia nu a folosit acest material ca material pozitiv pentru electrozi pentru o baterie litiu-ion.

2. Există unele defecte în manipularea fosfatului de litiu-fier, cum ar fi densitatea redusă a alunecării și densitatea etanșării, ceea ce duce la densitatea redusă a energiei bateriilor litiu-ion. Performanța la temperatură scăzută este slabă, chiar dacă este nanometrică și acoperită cu carbon, această problemă nu este rezolvată. Dr. Don Hillebrand, directorul Centrului pentru Sisteme de Depozitare a Energiei la Laboratorul Național din Argon, vorbește despre caracteristicile la temperatură scăzută ale bateriilor cu fosfat litiu-fier. El l-a folosit teribil pentru a descrie rezultatele testelor pentru bateriile cu fosfat de litiu-fier, care au arătat că bateriile cu fosfat de litiu-fier erau la o temperatură scăzută. (Sub 0 ° C) Nu este posibil să conduceți o mașină electrică. Deși unii producători susțin că bateriile cu fosfat litiu-fier au o capacitate bună de a păstra capacitatea la temperaturi scăzute, acesta este cazul curentului de descărcare scăzut și a tensiunii de descărcare scăzute. În această situație, dispozitivul pur și simplu nu poate porni.

3. Costul pregătirii materialului și costurile de producție ale bateriei sunt ridicate, randamentul bateriei este scăzut și consistența este slabă. Nanocristalizarea și acoperirea cu carbon a fosfatului de litiu-fier, îmbunătățind în același timp eficiența electrochimică a materialului, duce, de asemenea, la alte probleme, cum ar fi densitatea redusă a energiei, creșterea costurilor de sinteză, performanța slabă a procesării electrodului și problemele de mediu. Deși elementele chimice Li, Fe și P din fosfatul de litiu-fier sunt abundente și costurile sunt mici, costul produsului preparat cu litiu-fosfat de fier nu este mic, chiar dacă costurile anterioare de cercetare și dezvoltare sunt eliminate, costul procesului material este superior. Costul pregătirii bateriei va crește costul unității finale de energie stocată.

4. Consistența slabă a produsului. În prezent, nu există nicio instalație internă pentru fosfat de litiu-fier care să rezolve această problemă. Din punctul de vedere al pregătirii materialului, reacția de sinteză a fosfatului de litiu-fier este o reacție eterogenă complexă care are un fosfat în fază solidă, oxid de fier și sare de litiu, un precursor de carbon și o fază gazoasă reducătoare. În acest proces complex de reacție, este dificil să se asigure succesiunea reacției.

5. Probleme legate de proprietatea intelectuală. Principalul brevet pentru fosfatul de fier cu litiu este deținut în prezent de Universitatea din Texas, iar brevetul acoperit cu carbon este aplicat de canadieni. Aceste două brevete principale nu pot fi eludate. Dacă se calculează prețul brevetului, prețul produsului va fi crescut în continuare.

În plus, din experiența cercetării, dezvoltării și producției de baterii litiu-ion, Japonia este prima țară comercializată de baterii litiu-ion și este întotdeauna ocupată de piața bateriilor litiu-ion de ultimă generație. Deși Statele Unite conduc unele studii majore, încă nu există un producător de baterii mari litiu-ion. Prin urmare, este mai rezonabil ca Japonia să aleagă un manganat de litiu modificat ca material pozitiv al electrodului pentru o baterie litiu-ion. Chiar și în Statele Unite, fosfatul de litiu-fier și manganatul de litiu sunt utilizate ca materiale catodice pentru bateriile litiu-ion de tip electric, iar guvernul federal susține, de asemenea, dezvoltarea acestor două sisteme. Având în vedere problemele de mai sus, fosfatul de litiu-fier este dificil de utilizat pe scară largă ca electrod pozitiv pentru o baterie litiu-ion pe teren ca vehicul nou de energie. Dacă poate rezolva problema ciclului de temperatură ridicată și a performanței slabe a manganatului de litiu cu avantajele costului redus și a performanțelor ridicate, va avea un potențial mare în utilizarea bateriilor litiu-ion.