Numele complet al bateriei cu litiu fier fosfat este litiu fier fosfat litiu-ion, acest nume este prea lung, denumit baterie litiu fier fosfat. Deoarece performanța sa este deosebit de potrivită pentru aplicațiile de alimentare, cuvântul „putere” este adăugat la nume, adică baterie de putere cu litiu fier fosfat. Unii oameni o numesc, de asemenea, o „baterie de alimentare cu litiu (LiFe)”.
Principiul de funcționare
Bateria cu litiu fier fosfat se referă la o baterie cu litiu ion care utilizează fosfat cu litiu fier ca material pentru electrod pozitiv. Principalele materiale catodice ale bateriilor litiu-ion sunt litiu cobalt, litiu manganat, litiu nichel, materiale ternare, litiu fier fosfat și așa mai departe. Cobaltatul de litiu este materialul anodic utilizat în majoritatea bateriilor litiu-ion.
semnificaţie
Pe piața de comerț cu metale, cobaltul (Co) este cel mai scump și are puțin stocare, nichelul (Ni) și manganul (Mn) sunt mai ieftine, iar fierul (Fe) are mai mult stocare. Prețul materialului anodic este, de asemenea, în concordanță cu prețul acestor metale. Prin urmare, bateriile litiu-ion realizate din materiale catodice LiFePO4 ar trebui să fie destul de ieftine. O altă caracteristică a acestuia este lipsa de poluare a mediului.
Ca baterie reîncărcabilă, cerințele sunt: capacitate mare, tensiune de ieșire mare, performanță bună a ciclului de încărcare-descărcare, tensiune de ieșire stabilă, încărcare-descărcare de curent mare, stabilitate electrochimică, siguranță în utilizare (nu va provoca ardere sau explozie din cauza funcționării necorespunzătoare cum ar fi supraîncărcare, supradescărcare și scurtcircuit), gamă largă de temperatură de funcționare, non-toxică sau mai puțin toxică, fără poluare a mediului. Bateriile cu fosfat de fier de litiu care utilizează LiFePO4 ca electrod pozitiv sunt bune în aceste cerințe de performanță, în special în descărcarea cu viteză mare de descărcare (descărcare 5 ~ 10C), tensiune de descărcare stabilă, siguranță (fără ardere, fără explozie), viață (număr de cicluri), și nicio poluare a mediului, este cel mai bun, este în prezent cea mai bună baterie de putere de ieșire de mare curent.
Structura și principiul de funcționare
LiFePO4, ca electrod pozitiv al bateriei, este conectat prin folie de aluminiu la electrodul pozitiv al bateriei. În mijloc este o diafragmă polimerică, care separă electrodul pozitiv de electrodul negativ, dar ionul de litiu Li poate trece și electronul e- nu poate trece. În dreapta este electrodul negativ al bateriei compus din carbon (grafit), care este conectat cu electrodul negativ al bateriei printr-o folie de cupru. Între capetele superioare și inferioare ale bateriei se află electrolitul bateriei, iar bateria este etanșată de o carcasă metalică.
Când bateria LiFePO4 este încărcată, ionul de litiu Li din electrodul pozitiv migrează către electrodul negativ prin diafragma polimerică; În timpul procesului de descărcare, ionul de litiu Li din electrodul negativ migrează prin diafragmă către electrodul pozitiv. Bateriile litiu-ion sunt numite deoarece ionii de litiu migrează înainte și înapoi pe măsură ce sunt încărcate și descărcate.
Performanța principală
Tensiunea nominală a bateriei LiFePO4 este de 3,2 V, tensiunea de încărcare de terminare este de 3,6 V, iar tensiunea de descărcare de terminare este de 2,0V. Datorită calității și procesului diferit al materialelor electrodului pozitiv și negativ și al materialelor electrolitice utilizate de diverși producători, performanța acestora va fi oarecum diferită. De exemplu, același model (același pachet de baterie standard), capacitatea bateriei sale are o diferență mare (10% până la 20%).
Trebuie remarcat aici că există unele diferențe în parametrii de performanță ai bateriilor de putere cu fosfat de fier litiu produse de diferite fabrici; În plus, există unele performanțe ale bateriei care nu sunt incluse, cum ar fi rezistența internă a bateriei, rata de auto-descărcare, temperatura de încărcare și descărcare.
Capacitatea bateriilor de putere cu fosfat de fier litiu este foarte diferită și poate fi împărțită în trei categorii: zecimi mici până la câțiva miliamperi, zeci de miliamperi de dimensiuni medii și sute mari de miliamperi. Există, de asemenea, unele diferențe în aceiași parametri ai diferitelor tipuri de baterii.
Test de supradescărcare la tensiune zero:
A fost efectuat testul de descărcare la tensiune zero a bateriei STL18650(1100mAh) litiu fier fosfat. Condiții de testare: încărcați bateria de 1100mAh STL18650 cu o rată de încărcare de 0,5C, apoi descărcați-o cu o rată de descărcare de 1,0C până când tensiunea bateriei este de 0C. Apoi bateriile plasate la 0V se împart în două grupe: un grup se păstrează 7 zile, celălalt grup se păstrează 30 de zile; După expirarea stocării, acesta este umplut cu o rată de încărcare de 0,5 C și apoi este descărcat cu 1,0 C. În cele din urmă, se compară diferența dintre cele două perioade de stocare cu tensiune zero.
Rezultatul testului este că după 7 zile de stocare la tensiune zero, bateria nu are scurgeri, performanță bună, iar capacitatea este de 100%; După 30 de zile de depozitare, fără scurgeri, performanță bună, capacitate de 98%; După 30 de zile de depozitare, bateria este încărcată și descărcată încă 3 cicluri, iar capacitatea este restabilită la 100%.
Acest test arată că, chiar dacă bateria cu litiu fier fosfat a fost descărcată (chiar la 0V) și depozitată pentru un anumit timp, bateria nu se va scurge și nu se va deteriora. Aceasta este o caracteristică pe care alte tipuri de baterii litiu-ion nu o au.
Avantaj
1. Îmbunătățirea performanței de siguranță
Legătura PO din cristalul de fosfat de fier de litiu este stabilă și greu de descompus, chiar și la temperatură ridicată sau supraîncărcare, nu se va prăbuși și nu se va încălzi și nu va forma substanțe oxidante puternice, cum ar fi oxidul de litiu cobalt, deci are o siguranță bună. S-a raportat că o mică parte din eșantion s-a dovedit a arde în timpul funcționării efective a acului sau a experimentului de scurtcircuit, dar nu a existat niciun eveniment de explozie, iar experimentul de supraîncărcare a folosit o sarcină de înaltă tensiune care a depășit cu mult auto-descărcare. tensiune de mai multe ori și s-a constatat că a existat încă o explozie. Cu toate acestea, siguranța sa la supraîncărcare a fost mult îmbunătățită în comparație cu bateriile obișnuite cu electrolit lichid litiu oxid de cobalt.
2. Îmbunătățirea vieții
Bateria cu litiu fosfat de fier este o baterie litiu-ion care utilizează fosfat de litiu de fier ca material de electrod pozitiv.
Durata de viață a bateriei cu plumb-acid cu durată lungă de viață este de aproximativ 300 de ori, iar cea maximă este de 500 de ori, în timp ce bateria de putere cu litiu și fier fosfat are o durată de viață de peste 2000 de ori și încărcarea standard ({{5} }rată oră) poate fi folosită de 2000 de ori. Aceeași baterie plumb-acid de calitate este „nouă jumătate de an, veche jumătate de an, întreținere și întreținere încă o jumătate de an”, cel mult 1 până la 1,5 ani, iar bateriile cu litiu fier fosfat sunt utilizate în aceleași condiții, teoretic. viata va ajunge la 7-8 ani. Considerent general, raportul preț al performanței este de peste 4 ori mai mare decât al bateriilor cu plumb-acid, în teorie. Descărcarea cu curent ridicat poate fi încărcare și descărcare rapidă cu curent ridicat 2C, sub încărcătorul special, încărcarea 1,5C poate fi încărcată complet în 40 de minute, curent de pornire de până la 2C, iar bateriile cu plumb nu au această performanță.
3. Performanță bună la temperatură ridicată
Valoarea maximă a fosfatului de litiu fier poate ajunge la 350 de grade -500 grade , în timp ce manganatul de litiu și cobaltatul de litiu sunt de numai aproximativ 200 de grade . Intervalul de temperatură de funcționare este larg (-20C{-- 75C), iar vârful electric al fosfatului de litiu fier poate atinge 350 de grade -500 grade, în timp ce acidul litiu mangan și acidul litiu-cobalt sunt doar aproximativ 200 de grade.
4. Capacitate mare
Bateriile funcționează adesea cu condiția să fie pline și să nu fie descărcate, iar capacitatea va fi rapid mai mică decât valoarea nominală a capacității, care se numește efect de memorie. Ca și hidrura de nichel-metal, bateriile de nichel-cadmiu au memorie, iar bateriile cu fosfat de fier litiu nu au acest fenomen, indiferent de starea în care se află bateria, aceasta poate fi folosită cu încărcarea, fără a fi mai întâi plasată și apoi încărcată.
6. Greutate redusă
Volumul și greutatea unei baterii cu litiu fier fosfat cu aceeași capacitate este de 2/3 din volum și 1/3 din greutatea unei baterii plumb-acid.
7. Protecția mediului
Bateriile cu fosfat de fier litiu sunt în general considerate a fi lipsite de orice metale grele și metale rare (bateriile cu nichel metal hidrură au nevoie de metale rare), non-toxice (certificare SGS), fără poluare, în conformitate cu reglementările europene RoHS, pentru un verde absolut. certificat de baterie. Prin urmare, motivul pentru care bateriile cu litiu sunt optimiste de către industrie este în principal considerații de protecție a mediului, astfel încât bateria a fost inclusă în planul național de dezvoltare de înaltă tehnologie „863” în perioada „Al zecelea plan cincinal”, și a devenit un proiect cheie național pentru a sprijini și încuraja dezvoltarea. Odată cu aderarea Chinei la OMC, volumul exporturilor de biciclete electrice ale Chinei va crește rapid, iar bicicletele electrice care intră în Europa și Statele Unite au fost obligate să fie echipate cu baterii fără poluare.
Cu toate acestea, unii experți au spus că poluarea mediului cauzată de bateriile cu plumb-acid are loc în principal în procesul de producție non-standard și procesul de reciclare al întreprinderilor. În mod similar, bateriile cu litiu aparțin noii industriei energetice este bună, dar nu poate evita problema poluării cu metale grele. Plumbul, arsenul, cadmiul, mercurul, cromul etc. în prelucrarea materialelor metalice pot fi eliberate în praf și apă. Bateria în sine este o substanță chimică, astfel încât este posibil să se producă două tipuri de poluare: unul este poluarea deșeurilor de proces în proiectul de producție; A doua este poluarea bateriei după casare.
Bateriile cu litiu fier fosfat au, de asemenea, dezavantajele lor: cum ar fi performanța slabă la temperatură scăzută, densitatea mică a vibrațiilor materialelor pozitive, volumul bateriilor cu litiu fier fosfat de aceeași capacitate este mai mare decât bateriile litiu-ion, cum ar fi acidul litiu-cobalt, deci nu are un avantaj in ceea ce priveste micro-baterii. Când sunt utilizate în bateriile de putere, bateriile cu litiu fier fosfat, ca și alte baterii, trebuie să se confrunte cu probleme de consistență a bateriei.
Neajuns
Fie că un material are potențialul de dezvoltare a aplicațiilor, pe lângă faptul că se concentrează pe avantajele sale, cel mai important lucru este dacă materialul are defecte fundamentale.
China alege acum, în general, fosfatul de fier litiu ca material de electrod pozitiv pentru bateriile litiu-ion de putere, de la guvern, instituții de cercetare științifică, întreprinderi și chiar companii de valori mobiliare și alți analiști de piață sunt optimiști cu privire la acest material, ca o putere de dezvoltare a bateriei litiu-ion direcţie. Motivele sunt în principal următoarele: în primul rând, afectate de direcția de cercetare și dezvoltare a Statelor Unite, companiile Valence și A123 din Statele Unite au fost primele care au folosit fosfat de fier litiu ca material electrod pozitiv al bateriilor litiu-ion. În al doilea rând, nu a existat nicio pregătire internă a materialelor de manganat de litiu cu proprietăți bune de ciclizare la temperatură ridicată și de stocare pentru bateriile cu ioni de litiu de putere. Cu toate acestea, fosfatul de litiu fier are și defecte fundamentale care nu pot fi ignorate, care pot fi rezumate după cum urmează:
1. În procesul de sinterizare de preparare a fosfatului de litiu fier, oxidul de fier are posibilitatea de a fi redus la fier elementar într-o atmosferă reducătoare de temperatură ridicată. Fierul elementar poate provoca un micro-scurtcircuit al bateriei și este cea mai tabu substanță din baterie. Acesta este, de asemenea, motivul principal pentru care Japonia nu a folosit acest material ca material pentru electrozi pozitivi pentru bateriile cu litiu-ion.
2. Fosfatul de fier litiu are unele defecte de performanță, cum ar fi densitatea vibrațiilor și densitatea de compactare este foarte scăzută, rezultând o densitate scăzută de energie a bateriilor litiu-ion. Performanța la temperaturi scăzute este slabă, chiar și acoperirea cu nano și carbon nu a rezolvat această problemă. Dr. Don Hillebrand, director al Centrului Sistemului de Stocare a Energiei de la Laboratorul Național Argonne din Statele Unite, când a vorbit despre performanța la temperatură scăzută a bateriilor cu litiu fier fosfat, a folosit îngrozitor pentru a descrie rezultatele testelor bateriilor cu litiu fier fosfat litiu-ion. că bateriile cu litiu fier fosfat la temperaturi scăzute (sub 0 grade C) nu pot face vehiculele electrice să funcționeze. Deși unii producători susțin că rata de reținere a capacității bateriilor cu litiu și fier fosfat este bună la temperaturi scăzute, aceasta este în cazul curentului de descărcare mic și a tensiunii de întrerupere a descărcării scăzute. În acest caz, dispozitivul nu va începe deloc să funcționeze.
3. Costul de pregătire al materialului și costul de fabricație al bateriei este mai mare, randamentul bateriei este scăzut și consistența este slabă. Nanometrul și stratul de carbon de fosfat de fier litiu îmbunătățesc performanța electrochimică a materialului, dar aduc și alte probleme, cum ar fi densitatea redusă a energiei, costurile de sinteză crescute, performanța slabă de procesare a electrozilor și cerințele dure de mediu. Deși elementele chimice Li, Fe și P din fosfatul de litiu de fier sunt foarte bogate, iar costul este scăzut, costul produsului preparat de fosfat de litiu de fier nu este scăzut, chiar dacă costul de cercetare și dezvoltare timpurie este eliminat, costul de proces al materialul plus costul ridicat de pregătire a bateriei va face ca unitatea finală de cost de stocare a energiei să fie mai mare.
4. Consistență slabă a produsului. În prezent, nu există o fabrică de materiale de fosfat de fier litiu în China pentru a rezolva această problemă. Din punct de vedere al pregătirii materialelor, sinteza fosfatului de litiu fier este o reacție complexă multifazică, cu fosfat în fază solidă, oxid de fier și sare de litiu, plus precursor de carbon și fază gazoasă reducătoare. În acest proces de reacție complex, este dificil să se asigure consistența reacției.
5. Probleme de proprietate intelectuală. În prezent, brevetul de bază pentru fosfatul de litiu fier este deținut de Universitatea din Texas, în timp ce brevetul de acoperire cu carbon este aplicat de canadieni. Aceste două brevete de bază nu pot fi ocolite, dacă se calculează costul redevenței, costul produsului va fi crescut în continuare.
În plus, din experiența de cercetare și dezvoltare și producție de baterii litiu-ion, Japonia este prima țară care a comercializat baterii litiu-ion și a ocupat întotdeauna piața de ultimă generație a bateriilor litiu-ion. Deși Statele Unite sunt lider în unele cercetări de bază, până acum nu au un mare producător de baterii litiu-ion. Prin urmare, este mai rezonabil ca Japonia să aleagă manganat de litiu modificat ca material pentru electrozi pozitivi pentru bateriile dinamice litiu-ion. Chiar și în Statele Unite, utilizarea fosfatului de fier litiu și a manganatului de litiu ca producători de materiale catodice pentru baterii litiu-ion sunt împărțite în mod egal, iar guvernul federal sprijină, de asemenea, dezvoltarea ambelor sisteme. Având în vedere problemele de mai sus existente în fosfatul de fier litiu, este dificil să fie utilizat pe scară largă ca material pentru electrozi pozitivi pentru bateriile litiu-ion de putere în domenii precum vehiculele cu energie nouă. Dacă putem rezolva problema ciclării slabe la temperatură înaltă și a performanței de stocare a manganatului de litiu, cu avantajele sale de cost redus și performanță ridicată, acesta va avea un potențial mare în aplicarea bateriilor dinamice litiu-ion.
