Puni naziv litijum-željezo-fosfatne baterije je litijum-željezo-fosfatna litijum-jonska baterija, ovaj naziv je predugačak, naziva se litijum-željezo-fosfatna baterija. Budući da su njegove performanse posebno prikladne za primjene električne energije, nazivu se dodaje riječ "power", odnosno litijum željezo-fosfatna baterija za napajanje. Neki ljudi to nazivaju i "litijum-gvozdena (LiFe) baterija za napajanje".
Princip rada
Litijum-željezo-fosfatna baterija odnosi se na litijum-jonsku bateriju koja koristi litijum-željezo-fosfat kao materijal pozitivne elektrode. Glavni katodni materijali litijum-jonskih baterija su litijum kobalt, litijum manganat, litijum nikal, ternarni materijali, litijum gvožđe fosfat i tako dalje. Litijum kobaltat je anodni materijal koji se koristi u većini litijum-jonskih baterija.
značaj
Na tržištu metala, kobalt (Co) je najskuplji i ima malo skladištenja, nikal (Ni) i mangan (Mn) su jeftiniji, a željezo (Fe) ima više skladišta. Cijena anodnog materijala je također u skladu sa cijenom ovih metala. Stoga bi litijum-jonske baterije od LiFePO4 katodnih materijala trebale biti prilično jeftine. Druga karakteristika je da nema zagađivanja životne sredine.
Kao baterija koja se može puniti, zahtjevi su: visok kapacitet, visok izlazni napon, dobre performanse ciklusa punjenja-pražnjenja, stabilan izlazni napon, visoka struja punjenje-pražnjenje, elektrohemijska stabilnost, sigurnost u upotrebi (neće uzrokovati sagorijevanje ili eksploziju zbog nepravilnog rada kao što su prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje i kratki spoj), širok raspon radnih temperatura, netoksični ili manje toksični, bez zagađivanja okoliša. Litijum-gvozdeno-fosfatne baterije koje koriste LiFePO4 kao pozitivnu elektrodu dobre su u ovim zahtevima performansi, posebno kod pražnjenja sa velikom brzinom pražnjenja (pražnjenje od 5 ~ 10C), stabilnog napona pražnjenja, sigurnosti (bez sagorevanja, bez eksplozije), životnog veka (broj ciklusa), i bez zagađivanja okoliša, to je najbolja, trenutno je najbolja izlazna baterija velike struje.
Struktura i princip rada
LiFePO4, kao pozitivna elektroda baterije, spojen je aluminijskom folijom na pozitivnu elektrodu baterije. U sredini je polimerna dijafragma, koja odvaja pozitivnu elektrodu od negativne elektrode, ali litijum jon Li može da prođe, a elektron e- ne može da prođe. Desno je negativna elektroda baterije sastavljena od ugljenika (grafita), koja je bakarnom folijom povezana sa negativnom elektrodom baterije. Između gornjeg i donjeg kraja baterije nalazi se elektrolit baterije, a baterija je zapečaćena metalnim omotačem.
Kada se baterija LiFePO4 napuni, litijum jon Li u pozitivnoj elektrodi migrira na negativnu elektrodu kroz polimernu dijafragmu; Tokom procesa pražnjenja, litijum jon Li u negativnoj elektrodi migrira kroz dijafragmu do pozitivne elektrode. Litijum-jonske baterije su nazvane jer litijum joni migriraju napred-nazad dok se pune i prazne.
Glavna izvedba
Nominalni napon LiFePO4 baterije je 3.2V, napon završetka punjenja je 3.6V, a napon završetka pražnjenja je 2.0V. Zbog različitog kvaliteta i procesa materijala pozitivnih i negativnih elektroda i materijala elektrolita koje koriste različiti proizvođači, njihov učinak će biti nešto drugačiji. Na primjer, isti model (isti paket standardne baterije), njegov kapacitet baterije ima veliku razliku (10% do 20%).
Ovdje treba napomenuti da postoje neke razlike u parametrima performansi litijum-gvozdeno-fosfatnih baterija koje proizvode različite fabrike; Osim toga, neke performanse baterije nisu uključene, kao što su unutrašnji otpor baterije, brzina samopražnjenja, temperatura punjenja i pražnjenja.
Kapacitet litijum-gvozdeno-fosfatnih baterija je veoma različit i može se podeliti u tri kategorije: male desetine do nekoliko miliampera, srednje velike desetine miliampera i velike stotine miliampera. Postoje i neke razlike u istim parametrima različitih tipova baterija.
Test preopterećenja na nulti napon:
Izvršen je test pražnjenja do nultog napona STL18650(1100mAh) litijum željezo-fosfatne baterije. Uslovi testiranja: Napunite bateriju od 1100mAh STL18650 brzinom punjenja od 0,5C, a zatim je ispraznite brzinom od 1,0C dok napon baterije ne bude 0C. Zatim se baterije postavljene na 0V dijele u dvije grupe: jedna grupa se čuva 7 dana, druga grupa se čuva 30 dana; Nakon što skladište istekne, puni se sa 0.5C stopom punjenja, a zatim se prazni sa 1.0C. Konačno, upoređuje se razlika između dva perioda skladištenja nultog napona.
Rezultat testa je da nakon 7 dana skladištenja na nultom naponu, baterija nema curenja, dobre performanse, a kapacitet je 100%; Nakon 30 dana skladištenja, nema curenja, dobre performanse, kapacitet od 98%; Nakon 30 dana skladištenja, baterija se puni i prazni još 3 ciklusa, a kapacitet se vraća na 100%.
Ovaj test pokazuje da čak i ako je litijum-gvozdeno-fosfatna baterija ispražnjena (čak i do 0V) i pohranjena određeno vreme, baterija neće curiti i oštetiti se. Ovo je karakteristika koju druge vrste litijum-jonskih baterija nemaju.
Prednost
1. Poboljšanje sigurnosnih performansi
PO veza u kristalu litij-željeznog fosfata je stabilna i teško se razgrađuje, čak i pri visokoj temperaturi ili prenapunjenju, neće se srušiti i zagrijati ili formirati jake oksidirajuće tvari poput litij-kobalt oksida, tako da ima dobru sigurnost. Prijavljeno je da je mali dio uzorka izgorio u stvarnom radu eksperimenta s iglom ili kratkog spoja, ali nije došlo do eksplozije, a eksperiment prekomjernog punjenja koristio je visokonaponsko punjenje koje je znatno premašilo samopražnjenje napon nekoliko puta, a ustanovljeno je da je i dalje došlo do eksplozije. Međutim, njegova sigurnost od prekomjernog punjenja je znatno poboljšana u usporedbi s običnim litijum-kobalt oksidnim baterijama s tekućim elektrolitom.
2. Poboljšanje života
Litijum-željezo-fosfatna baterija je litijum-jonska baterija koja koristi litijum-željezo-fosfat kao materijal pozitivne elektrode.
Životni vek dugovečne olovno-kiselinske baterije je oko 300 puta, a maksimum je 500 puta, dok litijum-gvožđe-fosfatna baterija ima ciklus više od 2000 puta, a standardno punjenje ({{5} }satna stopa) može se koristiti 2000 puta. Isto kvalitetna olovno-kiselinska baterija je "nova pola godine, stara pola godine, održavanje i održavanje još pola godine", najviše 1 do 1,5 godina, a litijum željezo-fosfatne baterije se koriste pod istim uslovima, teoretski život će dostići 7 do 8 godina. Sveukupno gledano, omjer performansi i cijene je više od 4 puta veći od olovnih baterija u teoriji. Punjenje velike struje može biti visokostrujno 2C brzo punjenje i pražnjenje, pod posebnim punjačem, punjenje od 1,5C može se potpuno napuniti u roku od 40 minuta, početna struja do 2C, a olovne baterije nemaju ove performanse.
3. Dobre performanse na visokim temperaturama
Vrhunska vrijednost litijum gvožđe fosfata može dostići 350 stepeni -500 stepena, dok su litijum manganat i litijum kobaltat samo oko 200 stepeni. Opseg radne temperature je širok (-20C-- 75}C), a električni maksimum litijum gvožđe fosfata može da dostigne 350 stepeni -500 stepeni, dok su litijum-manganska kiselina i litijum-kobaltna kiselina samo oko 200 stepeni.
4. Veliki kapacitet
Baterije često rade pod uslovom da su pune i da nisu ispražnjene, a kapacitet će brzo biti niži od nominalne vrednosti kapaciteta, što se naziva memorijski efekat. Kao i nikl-metal hidrid, nikl-kadmijum baterije imaju memoriju, a litijum-gvozdeno-fosfatne baterije nemaju ovu pojavu, bez obzira u kakvom je stanju baterija, može se koristiti sa punjenjem, bez prethodnog postavljanja, a zatim punjenja.
6. Mala težina
Volumen i težina litijum-gvozdeno-fosfatne baterije istog kapaciteta je 2/3 zapremine i 1/3 težine olovno-kiselinske baterije.
7. Zaštita životne sredine
Općenito se smatra da litijum-željezo-fosfatne baterije ne sadrže teške metale i rijetke metale (nikl-metal-hidridne baterije trebaju rijetke metale), netoksične (SGS certifikat), bez zagađenja, u skladu s europskim RoHS propisima, za apsolutno zelenu certifikat baterije. Dakle, razlog zašto su litijumske baterije optimistične od strane industrije su uglavnom razmatranja zaštite životne sredine, pa je baterija uključena u "863" nacionalni plan razvoja visoke tehnologije tokom perioda "Desetog petogodišnjeg plana", i postao je nacionalni ključni projekat za podršku i podsticanje razvoja. Ulaskom Kine u WTO, obim izvoza kineskih električnih bicikala će se brzo povećati, a električni bicikli koji ulaze u Evropu i Sjedinjene Države moraju biti opremljeni baterijama bez zagađenja.
Međutim, neki stručnjaci kažu da se zagađenje životne sredine uzrokovano olovnim baterijama uglavnom javlja u nestandardnom procesu proizvodnje i reciklaže preduzeća. Slično, litijumske baterije pripadaju novoj energetskoj industriji je dobro, ali ne može izbjeći problem zagađenja teškim metalima. Olovo, arsen, kadmijum, živa, hrom, itd. pri obradi metalnih materijala mogu se ispustiti u prašinu i vodu. Sama baterija je hemijska supstanca, tako da je moguće proizvesti dve vrste zagađenja: jedna je zagađenje procesnim otpadom u proizvodnom projektu; Drugi je zagađenje baterije nakon rastavljanja.
Litijum-gvozdeno-fosfatne baterije imaju i svoje nedostatke: kao što su loše performanse na niskim temperaturama, mala pozitivna gustina vibracija materijala, zapremina litijum-gvozdeno-fosfatnih baterija istog kapaciteta je veća od litijum-jonskih baterija kao što je litijum-kobaltna kiselina, tako da nema prednost u pogledu mikro baterija. Kada se koriste u energetskim baterijama, litijum-gvozdene fosfatne baterije, kao i druge baterije, moraju da se suoče sa problemima konzistentnosti baterija.
Nedostatak
Da li materijal ima potencijal za razvoj aplikacija, osim fokusiranja na njegove prednosti, kritičnije je da li materijal ima fundamentalne nedostatke.
Kina sada uglavnom bira litijum-gvozdeni fosfat kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litijum-jonskih baterija, od strane vlade, naučnoistraživačkih institucija, preduzeća, pa čak i kompanija za hartije od vrednosti i drugih tržišnih analitičara su optimistični u pogledu ovog materijala, kao razvoja litijum-jonskih baterija za napajanje smjer. Razlozi su uglavnom sljedeći: Prvo, pod utjecajem smjera istraživanja i razvoja Sjedinjenih Država, kompanije Valence i A123 u Sjedinjenim Državama prve su koristile litijum željezo fosfat kao materijal pozitivne elektrode litijum-jonskih baterija. Drugo, nije bilo domaće pripreme litijum-manganatnih materijala sa dobrim svojstvima ciklusa i skladištenja pri visokim temperaturama za litijum-jonske baterije. Međutim, litij željezo fosfat također ima fundamentalne nedostatke koji se ne mogu zanemariti, a koji se mogu sažeti na sljedeći način:
1. U procesu sinterovanja pripreme litijum željeznog fosfata, željezni oksid ima mogućnost da se reducira u elementarno željezo u atmosferi visoke temperature. Elementarno željezo može uzrokovati mikrokratki spoj baterije i najtabuiranija je supstanca u bateriji. Ovo je ujedno i glavni razlog zašto Japan nije koristio ovaj materijal kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litijum-jonskih baterija.
2. litijum gvožđe fosfat ima neke nedostatke u performansama, kao što su gustina vibracija i gustina sabijanja je veoma niska, što rezultira niskom gustinom energije litijum-jonskih baterija. Rad na niskim temperaturama je loš, čak ni nano i karbonski premaz nije riješio ovaj problem. Dr. Don Hillebrand, direktor Centra za sisteme za pohranu energije u Argonne National Laboratory u Sjedinjenim Državama, kada je govorio o performansama litijum-gvozdeno-fosfatnih baterija na niskim temperaturama, koristio je strašno da opiše rezultate ispitivanja litijum-gvozdeno-fosfatnih litijum-jonskih baterija koje su pokazale da litijum-gvožđe-fosfatne baterije na niskim temperaturama (ispod 0 stepena C) ne mogu da naprave električne vozila rade. Iako neki proizvođači tvrde da je stopa zadržavanja kapaciteta litijum-željezo-fosfatnih baterija dobra na niskim temperaturama, to je u slučaju male struje pražnjenja i niskog napona prekida pražnjenja. U tom slučaju uređaj uopće neće početi raditi.
3. Troškovi pripreme materijala i troškovi proizvodnje baterije su veći, prinos baterije je nizak, a konzistencija loša. Nanometarska i ugljična prevlaka litijum-gvozdenog fosfata poboljšava elektrohemijske performanse materijala, ali donosi i druge probleme, kao što su smanjena gustoća energije, povećani troškovi sinteze, loše performanse obrade elektroda i strogi zahtevi životne sredine. Iako su kemijski elementi Li, Fe i P u litij željeznom fosfatu vrlo bogati, a cijena je niska, cijena proizvoda pripremljenog litij željeznog fosfata nije niska, čak i ako se uklone rani troškovi istraživanja i razvoja, trošak procesa materijal plus visoka cijena pripreme baterije učinit će da je konačni trošak skladištenja energije jedinice veći.
4. Loša konzistencija proizvoda. Trenutno u Kini ne postoji fabrika materijala litijum gvožđe fosfata koja bi rešila ovaj problem. Sa stajališta pripreme materijala, sinteza litij željeznog fosfata je složena višefazna reakcija, sa fosfatom u čvrstoj fazi, željeznim oksidom i litijevom soli, plus prekursorom ugljika i redukcijskom gasnom fazom. U ovom složenom procesu reakcije, teško je osigurati konzistentnost reakcije.
5. Pitanja intelektualne svojine. Trenutno, osnovni patent za litijum gvožđe fosfat je u vlasništvu Univerziteta u Teksasu, dok patent za karbonski premaz primenjuju Kanađani. Ova dva osnovna patenta se ne mogu zaobići, ako se izračuna trošak tantijema, cijena proizvoda će se dodatno povećati.
Pored toga, iz iskustva istraživanja i razvoja i proizvodnje litijum-jonskih baterija, Japan je prva zemlja koja je komercijalizovala litijum-jonske baterije i oduvek je zauzimala tržište vrhunskih litijum-jonskih baterija. Iako Sjedinjene Države vode u nekim osnovnim istraživanjima, za sada nemaju velikog proizvođača litijum-jonskih baterija. Stoga je razumnije da Japan odabere modificirani litijum manganat kao materijal pozitivne elektrode za dinamičke litijum-jonske baterije. Čak iu Sjedinjenim Državama, upotreba litijum-gvozdenog fosfata i litijum-manganata kao proizvođača katodnog materijala za litijum-jonske baterije je podjednako podeljena, a savezna vlada takođe podržava razvoj oba sistema. S obzirom na gore navedene probleme koji postoje u litijum-gvozdenom fosfatu, teško je da se široko koristi kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litijum-jonskih baterija u poljima kao što su nova energetska vozila. Ako možemo riješiti problem loše performanse cikliranja i skladištenja litijum-manganata pri visokim temperaturama, uz njegove prednosti niske cijene i visoke performanse, on će imati veliki potencijal u primjeni dinamičkih litijum-jonskih baterija.
