Puni naziv litij-željezo-fosfatne baterije je litij-željezo-fosfatna litij-ionska baterija, ovaj naziv je predugačak, naziva se litij-željezo-fosfatna baterija. Budući da je njegova izvedba posebno prikladna za energetske aplikacije, nazivu je dodana riječ "power", odnosno litij-željezo-fosfatna baterija za napajanje. Neki ljudi to zovu i "litij-željezna (LiFe) baterija."
Princip rada
Litij željezo fosfatna baterija odnosi se na litij ionsku bateriju koja koristi litij željezo fosfat kao materijal pozitivne elektrode. Glavni katodni materijali litij-ionskih baterija su litij kobalt, litij manganat, litij nikal, ternarni materijali, litij željezo fosfat i tako dalje. Litij kobaltat je anodni materijal koji se koristi u većini litij-ionskih baterija.
značaj
Na tržištu trgovanja metalima kobalt (Co) je najskuplji i ima malo skladišta, nikal (Ni) i mangan (Mn) su jeftiniji, a željezo (Fe) ima više skladišta. Cijena anodnog materijala također je u skladu s cijenom ovih metala. Stoga bi litij-ionske baterije izrađene od LiFePO4 katodnih materijala trebale biti prilično jeftine. Još jedna značajka je da ne zagađuje okoliš.
Kao punjiva baterija, zahtjevi su: veliki kapacitet, visoki izlazni napon, dobre performanse ciklusa punjenja i pražnjenja, stabilan izlazni napon, visoka struja punjenja i pražnjenja, elektrokemijska stabilnost, sigurnost u uporabi (neće uzrokovati izgaranje ili eksploziju zbog nepravilnog rada kao što su prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje i kratki spoj), širok raspon radnih temperatura, netoksičan ili manje toksičan, ne zagađuje okoliš. Litij-željezo-fosfatne baterije koje koriste LiFePO4 kao pozitivnu elektrodu dobre su u ovim zahtjevima performansi, posebno u pražnjenju velike brzine pražnjenja (5 ~ 10C pražnjenja), stabilnom naponu pražnjenja, sigurnosti (bez izgaranja, bez eksplozije), vijeku trajanja (broj ciklusa), i nema zagađenja okoliša, najbolja je, trenutno najbolja baterija visoke struje izlazne snage.
Struktura i princip rada
LiFePO4, kao pozitivna elektroda baterije, spojena je aluminijskom folijom na pozitivnu elektrodu baterije. U sredini je polimerna dijafragma, koja odvaja pozitivnu elektrodu od negativne elektrode, ali litij ion Li može proći kroz nju, a elektron e- ne može proći. Desno je negativna elektroda baterije sastavljena od ugljika (grafita) koja je bakrenom folijom spojena s negativnom elektrodom baterije. Između gornjeg i donjeg kraja baterije nalazi se elektrolit baterije, a baterija je zatvorena metalnim omotačem.
Kada se LiFePO4 baterija napuni, litij ion Li u pozitivnoj elektrodi migrira na negativnu elektrodu kroz polimernu dijafragmu; Tijekom procesa pražnjenja, litij ion Li u negativnoj elektrodi migrira kroz dijafragmu do pozitivne elektrode. Litij-ionske baterije dobile su naziv jer litijevi ioni migriraju naprijed-natrag dok se pune i prazne.
Glavna izvedba
Nominalni napon LiFePO4 baterije je 3,2 V, napon završnog punjenja je 3,6 V, a napon završnog pražnjenja je 2.0V. Zbog različite kvalitete i procesa materijala pozitivnih i negativnih elektroda i materijala elektrolita koje koriste različiti proizvođači, njihova će se izvedba donekle razlikovati. 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 litij željezo fosfatnih baterija koje proizvode različite tvornice; Osim toga, neke performanse baterije nisu uključene, kao što su unutarnji otpor baterije, brzina samopražnjenja, temperatura punjenja i pražnjenja.
Kapacitet litij-željezo-fosfatnih baterija je vrlo različit i može se podijeliti u tri kategorije: male desetinke do nekoliko miliampera, srednje desetke miliampera i velike stotine miliampera. Također postoje neke razlike u istim parametrima različitih vrsta baterija.
Ispitivanje prekomjernog pražnjenja do nultog napona:
Proveden je test pražnjenja do nultog napona STL18650(1100mAh) litij željezo fosfatne baterije. Uvjeti testiranja: Punite bateriju od 1100mAh STL18650 brzinom punjenja od 0,5C, a zatim je ispraznite brzinom pražnjenja od 1,0C dok napon baterije ne bude 0C. Zatim se baterije postavljene u 0V dijele u dvije skupine: jedna skupina se čuva 7 dana, druga skupina se čuva 30 dana; Nakon isteka skladištenja, puni se s brzinom punjenja od 0,5C, a zatim se prazni s 1,0C. Na kraju se uspoređuje razlika između dva razdoblja pohranjivanja nultog napona.
Rezultat testa je da nakon 7 dana skladištenja bez napona, 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 litij željezo fosfatna baterija ispražnjena (čak i do 0V) i pohranjena određeno vrijeme, baterija neće curiti i oštetiti se. To je značajka koju druge vrste litij-ionskih baterija nemaju.
Prednost
1. Poboljšanje sigurnosnih performansi
PO veza u kristalu litij željezo fosfata je stabilna i teško ju je razgraditi, čak i pri visokoj temperaturi ili prekomjernom punjenju, neće se urušiti i zagrijati ili formirati jake oksidirajuće tvari poput litij kobalt oksida, tako da ima dobru sigurnost. Zabilježeno je da je mali dio uzorka izgorio u stvarnom radu igle ili pokusa kratkog spoja, ali nije došlo do eksplozije, a pokus s prekomjernim punjenjem koristio je visokonaponsko punjenje koje je uvelike premašilo samopražnjenje napon nekoliko puta, a ustanovljeno je da je ipak došlo do eksplozije. Međutim, njegova sigurnost od prekomjernog punjenja znatno je poboljšana u usporedbi s običnim litij kobalt oksidnim baterijama s tekućim elektrolitom.
2. Poboljšanje života
Litij željezo fosfatna baterija je litij ionska baterija koja koristi litij željezo fosfat kao materijal pozitivne elektrode.
Vijek trajanja dugotrajne olovne baterije je oko 300 puta, a maksimum je 500 puta, dok litij željezo fosfat baterija ima vijek trajanja od više od 2000 puta, a standardno punjenje ({{5} }satna stopa) može se koristiti 2000 puta. Olovno-kiselinska baterija iste kvalitete je "nova pola godine, stara pola godine, održavanje i održavanje još pola godine", najviše 1 do 1,5 godina, a litij željezo fosfatne baterije koriste se pod istim uvjetima, teoretski život će doseći 7 do 8 godina. Sveukupno gledajući, omjer cijene i učinka je više od 4 puta veći od omjera olovnih baterija u teoriji. Pražnjenje visoke struje može biti brzo punjenje i pražnjenje visoke struje 2C, pod posebnim punjačem, punjenje od 1,5C može se potpuno napuniti unutar 40 minuta, početna struja do 2C, a olovne baterije nemaju ovu izvedbu.
3. Dobre performanse pri visokim temperaturama
Vršna vrijednost litij željeznog fosfata može doseći 350 stupnjeva -500 stupnjeva, dok litij manganat i litij kobaltat imaju samo oko 200 stupnjeva. Raspon radne temperature je širok (-20C-- 75C), a električni vrh litij željezo fosfata može doseći 350 stupnjeva -500 stupnjeva, dok su litij manganska kiselina i litij kobaltova kiselina samo oko 200 stupnjeva.
4. Veliki kapacitet
Baterije često rade pod uvjetom da su pune, a ne ispražnjene, te će kapacitet brzo biti manji od nazivne vrijednosti kapaciteta, što se naziva efektom pamćenja. Kao i nikal-metal-hidridne, nikal-kadmijeve baterije imaju memoriju, a litij-željezo-fosfatne baterije nemaju taj fenomen, bez obzira u kakvom je stanju baterija, može se koristiti s punjenjem, bez prethodnog stavljanja pa punjenja.
6. Mala težina
Volumen i težina litij željezo fosfatne baterije istog kapaciteta iznosi 2/3 volumena i 1/3 težine olovne baterije.
7. Zaštita okoliša
Općenito se smatra da litij-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 zeleno certifikat baterije. Stoga je razlog zašto je litijeva baterija optimistična u industriji uglavnom razmatranje zaštite okoliša, pa je baterija uključena u "863" nacionalni plan razvoja visoke tehnologije tijekom razdoblja "Desetog petogodišnjeg plana", te je postao nacionalni ključni projekt podrške i poticanja razvoja. S pristupanjem Kine WTO-u, obujam izvoza kineskih električnih bicikala brzo će se povećati, a električni bicikli koji ulaze u Europu i Sjedinjene Države moraju biti opremljeni baterijama koje ne zagađuju okoliš.
Međutim, neki su stručnjaci rekli da se zagađenje okoliša uzrokovano olovnim baterijama uglavnom događa u nestandardnom proizvodnom procesu i procesu recikliranja poduzeća. Slično tome, litijeve baterije pripadaju novoj energetskoj industriji je dobro, ali ne može izbjeći problem zagađenja teškim metalima. Olovo, arsen, kadmij, živa, krom itd. pri obradi metalnih materijala mogu se osloboditi u prašinu i vodu. Sama baterija je kemijska tvar, tako da je moguće proizvesti dvije vrste onečišćenja: jedno je onečišćenje procesnim otpadom u proizvodnom projektu; Drugi je zagađenje baterije nakon odlaganja.
Litij-željezo-fosfatne baterije također imaju svoje nedostatke: kao što su slabe performanse na niskim temperaturama, mala pozitivna gustoća vibracija materijala, volumen litij-željezo-fosfatnih baterija istog kapaciteta je veći od litij-ionskih baterija kao što je litij-kobaltna kiselina, tako da nema prednost u pogledu mikrobaterija. Kada se koriste u baterijama za napajanje, litij željezo fosfatne baterije, kao i druge baterije, moraju se suočiti s problemima konzistencije baterije.
Nedostatak
Ima li materijal potencijala za razvoj primjene, osim fokusiranja na njegove prednosti, kritičnije je ima li materijal temeljne nedostatke.
Kina sada općenito odabire litij željezo fosfat kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterija, od vlade, znanstveno-istraživačkih institucija, poduzeća pa čak i kompanija za vrijednosne papire i drugih tržišnih analitičara optimistični su u vezi s ovim materijalom, kao razvojem snage litij-ionske baterije smjer. Razlozi su uglavnom sljedeći: Prvo, pod utjecajem smjera istraživanja i razvoja Sjedinjenih Država, tvrtke Valence i A123 u Sjedinjenim Državama prve su koristile litij željezo fosfat kao materijal pozitivne elektrode litij-ionskih baterija. Drugo, nije bilo domaće pripreme litij-manganatnih materijala s dobrim svojstvima ciklusa pri visokim temperaturama i skladištenja za litij-ionske baterije. Međutim, litij željezo fosfat također ima temeljne nedostatke koji se ne mogu zanemariti, a koji se mogu sažeti kako slijedi:
1. U procesu sinteriranja pripreme litij željezo fosfata, željezni oksid ima mogućnost redukcije do elementarnog željeza u redukcijskoj atmosferi visoke temperature. Elementarno željezo može uzrokovati mikrokratki spoj baterije i najtabuiziranija je tvar u bateriji. To je također glavni razlog zašto Japan nije koristio ovaj materijal kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterija.
2. litij željezo fosfat ima neke nedostatke u izvedbi, kao što su gustoća vibracija i gustoća zbijanja je vrlo niska, što rezultira niskom gustoćom energije litij-ionskih baterija. Učinak na niskim temperaturama je loš, čak ni nano i karbonski premaz nije riješio ovaj problem. Dr. Don Hillebrand, direktor Centra za sustav pohrane energije u Nacionalnom laboratoriju Argonne u Sjedinjenim Državama, kada je govorio o performansama litij-željezo-fosfatnih baterija na niskim temperaturama, upotrijebio je užasno da bi opisao rezultate ispitivanja litij-željezo-fosfatnih litij-ionskih baterija koje su pokazale da litij željezo fosfatne baterije na niskim temperaturama (ispod 0 stupnjeva C) ne mogu pokrenuti električna vozila. Iako neki proizvođači tvrde da je stopa zadržavanja kapaciteta litij-željezo-fosfatnih baterija dobra na niskim temperaturama, to je u slučaju male struje pražnjenja i niskog graničnog napona pražnjenja. U tom slučaju uređaj uopće neće početi raditi.
3. Trošak pripreme materijala i trošak proizvodnje baterije je veći, prinos baterije je nizak, a konzistencija je loša. Nanometarska i ugljična prevlaka litij željeznog fosfata poboljšava elektrokemijsku izvedbu materijala, ali donosi i druge probleme, kao što su smanjena gustoća energije, povećani troškovi sinteze, loša izvedba obrade elektroda i oštri ekološki zahtjevi. Iako su kemijski elementi Li, Fe i P u litij željezo fosfatu vrlo bogati, a trošak je nizak, cijena pripremljenog proizvoda litij željezo fosfata nije niska, čak i ako se uklone rani troškovi istraživanja i razvoja, troškovi procesa Materijal plus visoki trošak pripreme baterije učinit će konačnu jediničnu cijenu pohrane energije višim.
4. Loša konzistencija proizvoda. Trenutno u Kini ne postoji tvornica materijala litij željezo fosfat koja bi riješila ovaj problem. Sa stajališta pripreme materijala, sinteza litij željeznog fosfata je složena višefazna reakcija, s fosfatom u čvrstoj fazi, željeznim oksidom i litijevom soli, plus prekursor ugljika i reducirajuća plinovita faza. U ovom složenom reakcijskom procesu teško je osigurati konzistentnost reakcije.
5. Pitanja intelektualnog vlasništva. Trenutačno je osnovni patent za litij željezo fosfat u vlasništvu Sveučilišta u Teksasu, dok patent za ugljičnu prevlaku primjenjuju Kanađani. Ova dva osnovna patenta ne mogu se zaobići, ako se izračuna trošak tantijema, trošak proizvoda će se dodatno povećati.
Osim toga, iz iskustva istraživanja i razvoja i proizvodnje litij-ionskih baterija, Japan je prva zemlja koja je komercijalizirala litij-ionske baterije i uvijek je zauzimala tržište vrhunskih litij-ionskih baterija. Iako Sjedinjene Države prednjače u nekim temeljnim istraživanjima, zasad nemaju velikog proizvođača litij-ionskih baterija. Stoga je razumnije da Japan odabere modificirani litij manganat kao materijal pozitivne elektrode za dinamičke litij-ionske baterije. Čak iu Sjedinjenim Državama, upotreba litij željeznog fosfata i litij manganata kao snaga proizvođača katodnog materijala za litij-ionsku bateriju jednako je podijeljena, a savezna vlada također podržava razvoj oba sustava. S obzirom na gore navedene probleme koji postoje u litij željezo fosfatu, teško ga je široko koristiti kao materijal pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterija u poljima kao što su nova energetska vozila. Ako uspijemo riješiti problem lošeg ciklusa pri visokim temperaturama i učinkovitosti skladištenja litij manganata, s njegovim prednostima niske cijene i performansi visoke brzine, imat će veliki potencijal u primjeni dinamičkih litij-ionskih baterija.
