Действительно ли нужно активировать литий-железо-фосфатные батареи

Полное название литий-железо-фосфатной батареи - литий-железо-фосфатная литий-ионная батарея, которая слишком длинная, сокращенно называется литиево-железо-фосфатной батареей. Поскольку его характеристики особенно подходят для силовых приложений, к названию было добавлено слово «мощность», то есть литий-железо-фосфатный аккумулятор. Его также называют «литиево-железный (LiFe) аккумулятор».

Принцип работы

Литий-железо-фосфатная батарея относится к литий-ионной батарее с фосфатом лития-железа в качестве материала положительного электрода. Катодные материалы литий-ионных аккумуляторов в основном включают литий-кобальтовую кислоту, литиево-марганцевую кислоту, литий-никелевую кислоту, тройные материалы, литий-железо-фосфат и т. Д. Оксид лития-кобальта является анодным материалом, используемым в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

имея в виду

На рынке металлов кобальт (Co) является самым дорогим и его меньше хранится, никель (Ni) и марганец (Mn) дешевле, а у железа (Fe) больше. Цены на анодные материалы также соответствуют ценам на эти металлы. Следовательно, литий-ионные батареи, изготовленные из анодных материалов LiFePO4, должны быть относительно дешевыми. Еще одна его характеристика - отсутствие загрязнения окружающей среды.

Требования к перезаряжаемым батареям: высокая емкость, высокое выходное напряжение, хорошая производительность цикла зарядки и разрядки, стабильное выходное напряжение, большой ток заряда и разряда, электрохимическая стабильность, безопасность (отсутствие зарядки, разрядки и короткого замыкания, вызванного неправильная эксплуатация, такая как возгорание или взрыв), широкий диапазон рабочих температур, нетоксичность или меньше ядовитости, отсутствие загрязнения окружающей среды. Использование LiFePO4 в качестве анода для литий-железо-фосфатных батарей соответствует этим требованиям к характеристикам, особенно при большой скорости разряда (разряд 5 ~ 10 c), стабильном напряжении разряда, безопасности, отсутствии горения, взрыва и сроке службы (циклы) на Экологически чистый, лучший, в настоящее время лучший аккумулятор с большой выходной мощностью.

Устройство и принцип работы

LiFePO4, как положительный электрод батареи, соединен с положительным электродом алюминиевой фольгой. В середине находится полимерная мембрана, которая отделяет положительный электрод от отрицательного. Однако ион лития Li может проходить, а электрон - нет. Между верхним и нижним концами батареи находится электролит батареи, который закрыт металлической оболочкой.

Когда батарея LiFePO4 заряжена, литий-литий из положительного электрода мигрирует к отрицательному электроду через полимерную мембрану. Во время процесса разряда литий Li из отрицательного электрода мигрирует к положительному электроду через мембрану. Литий-ионные батареи названы в честь движения ионов лития между зарядкой и разрядкой.

Главный спектакль

Номинальное напряжение аккумулятора LiFePO4 составляет 3,2 В, напряжение завершения зарядки составляет 3,6 В, а напряжение прекращения разряда составляет 2,0 В. Из-за разного качества и технологического процесса материалов анода и катода, а также материалов электролита, используемых разными производителями, будут некоторые различия в их характеристиках. Например, емкость батареи одного типа (стандартная батарея в той же упаковке) сильно различается (10% ~ 20%).

Здесь следует отметить, что эксплуатационные параметры литий-железо-фосфатных силовых аккумуляторов, выпускаемых разными заводами, будут иметь некоторые отличия. Кроме того, не учитываются некоторые свойства батареи, такие как внутреннее сопротивление батареи, скорость саморазряда, температура зарядки и разрядки.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи сильно различаются по емкости и могут быть разделены на три категории: маленькие - от нескольких десятых до нескольких миллиампер, средние - от нескольких десятков миллиампер и большие - от нескольких сотен миллиампер. . Также есть некоторые различия в одних и тех же параметрах для разных типов аккумуляторов.

Проверка на перегрузку до нулевого напряжения:

Литий-железо-фосфатный аккумулятор STL18650 (1100 мАч) использовался для испытания от разряда до нулевого напряжения. Условия тестирования: Аккумулятор STL18650 емкостью 1100 мАч был полностью заряжен со скоростью зарядки 0,5 с, а затем разряжен до напряжения батареи 0 ° С со скоростью разряда 1,0 с. Затем разделите батарею 0 В на две группы: одну группу на 7 дней, другую группу на 30 дней; По истечении срока хранения заполните его зарядкой 0,5c и разрядите 1,0c. Наконец, сравнивались различия между двумя периодами хранения ZVS.

Результатом теста является то, что после 7 дней хранения при нулевом напряжении аккумулятор не протекает, имеет хорошую производительность и емкость составляет 100%. Через 30 дней утечки нет, хорошая производительность, 98% емкости; После 30 дней хранения аккумулятор был заряжен и разряжен еще 3 цикла, и емкость восстановилась до 100%.

Этот тест показывает, что литий-железо-фосфатная батарея не протекает и не повреждается, даже если она разряжена (даже до 0 В) и хранится в течение определенного времени. Это характеристика, которой нет у других типов литий-ионных аккумуляторов.

Преимущества литий-железо-фосфатных батарей

1. Повышение уровня безопасности

Ро-связь в кристалле фосфата лития-железа стабильна и трудно разлагается. Даже при высокой температуре или перезарядке он не выделяет тепла и не образует сильных окисляющих веществ, таких как оксид лития-кобальта, поэтому он имеет хорошую безопасность. В некоторых сообщениях указывалось, что в реальных условиях эксперимента по иглоукалыванию или короткому замыканию обнаружено, что небольшая часть образцов имеет явление возгорания, но не происходит взрыва. Однако в эксперименте с избыточным зарядом использовался высоковольтный заряд, который был в несколько раз выше, чем его собственное напряжение разряда, и явление взрыва все же было обнаружено. Тем не менее, его безопасность от перезарядки была значительно улучшена по сравнению с обычной литий-кобальтовой батареей с жидким электролитом.

2. Увеличение продолжительности жизни

Литий-железо-фосфатная батарея относится к литиево-ионной батарее с фосфатом лития-железа в качестве материала положительного электрода.

Продолжительный срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 300 раз, максимальный - 500 раз, а срок службы литий-фосфатных батарей составляет более 2000 раз, при стандартной зарядке (5 часов) использование может достигать 2000 раз. Свинцово-кислотная батарея того же качества - «новое полугодие, старое полугодие, техническое обслуживание и полгода обслуживания», максимальное время составляет 1 ~ 1,5 года, и литий-железо-фосфатная батарея в том же состоянии, теоретический срок службы достигнет 7 ~ 8 лет. В целом цена производительности более чем в четыре раза выше, чем у теоретической свинцово-кислотной батареи. Большой ток разряда может быть большим током 2C, быстрой зарядкой и разрядкой, в специальном зарядном устройстве заряд 1,5C может длиться 40 минут, пусковой ток до 2C, в то время как свинцово-кислотная батарея не имеет таких характеристик.

3, высокая температура хорошая

Фосфат лития-железа может достигать температуры от 350 ℃ до 500 ℃, а электрический пик и кобальтовая кислота, литий, марганцевая кислота, литий, только при температуре около 200 ℃. Широкий диапазон рабочих температур (20 c - 75 - c), обладают устойчивыми к высоким температурам свойствами фосфата лития-железа, могут достигать 350 ℃ до 500 ℃, пик нагрева литий-кобальта и литиево-марганцевой кислоты и кислоты только при температуре около 200 ℃.

4. Большая емкость

Аккумулятор, работающий с постоянной полной емкостью, может быстро упасть ниже номинальной емкости - явление, называемое эффектом памяти. Например, никель-металлогидридные и никель-кадмиевые батареи имеют память, а литий-железо-фосфатные батареи не имеют такого явления. Независимо от того, в каком состоянии находятся батареи, их можно заряжать и использовать в любое время, без необходимости вынимать их перед подзарядкой.

6. Легкий вес.

Литий-железо-фосфатные батареи того же размера составляют две трети размера и одну треть веса свинцово-кислотных батарей.

7, охрана окружающей среды

Литий-железо-фосфатные батареи обычно считаются свободными от тяжелых металлов и редких металлов (никель-металлогидридные батареи нуждаются в редких металлах), нетоксичными (сертификация SGS), экологически чистыми, в соответствии с европейскими правилами RoHS, для абсолютной экологичности. сертификат защиты окружающей среды батареи. Поэтому промышленность отдает предпочтение литиевым батареям, в основном из-за экологических соображений, поэтому батарея была включена в национальный план развития высоких технологий «863» в течение периода «десятого пятилетнего плана», который стал ключевой поддержкой на национальном уровне. и поощрять проекты развития. С вступлением Китая в ВТО экспорт электровелосипедов из Китая будет быстро расти, и Соединенные Штаты и Европа ввели требования к электронным велосипедам с экологически чистыми батареями.

Но некоторые эксперты заявили, что загрязнение окружающей среды, вызванное свинцово-кислотными батареями, в основном происходит в результате нестандартного производственного процесса и процесса переработки. Точно так же литиевые батареи относятся к новой энергетической отрасли, но это не может избежать проблемы загрязнения тяжелыми металлами. Металлические материалы, такие как свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и хром, могут попадать в пыль и воду. Аккумулятор сам по себе является химическим веществом, поэтому может быть два вида загрязнения: один - это загрязнение отходами производственного процесса; Во-вторых, загрязнение аккумулятора после утилизации.

Литий-железо-фосфатная батарея также имеет свои недостатки: такие как низкие характеристики при низких температурах, плотность материала положительного электрода мала, объем литий-железо-фосфатной батареи одинаковой емкости больше, чем литий-ионная батарея, такая как литий-кобальтовая кислота, поэтому она не есть преимущество в микро-батарее. При использовании в силовых батареях литий-железо-фосфатные батареи, как и другие батареи, должны сталкиваться с проблемой целостности батареи.

Недостатки литий-железо-фосфатных батарей

Независимо от того, есть ли у материала потенциал для развития применения, помимо сосредоточения внимания на его преимуществах, более важным является наличие у материала основных дефектов.

В настоящее время фосфат лития-железа широко используется в качестве материала положительного электрода для динамических литий-ионных батарей в Китае. Аналитики рынка из правительства, научно-исследовательских институтов, предприятий и даже компаний, работающих с ценными бумагами, оптимистично относятся к этому материалу и рассматривают его как направление развития динамических ионно-литиевых батарей. Причины этого следующие: первая - это влияние направления исследований и разработок Соединенных Штатов. Компания Valence и A123 из США первыми использовали фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, литий-манганатные материалы с хорошей циркуляцией и хранением при высоких температурах для динамических литий-ионных батарей не производились в Китае. Однако фосфат лития-железа также имеет фундаментальные дефекты, которые нельзя игнорировать, которые можно резюмировать следующим образом:

1. В процессе спекания для получения фосфата лития-железа существует вероятность того, что оксид железа может быть восстановлен до элементарного железа в высокотемпературной восстановительной атмосфере. Элементарное железо - самое табуированное вещество в батарее, потому что оно может вызвать микрокороткое замыкание батареи. Это также основная причина, по которой Япония не использовала этот материал в качестве материала положительного электрода для динамических литий-ионных батарей.

2. Литий-фосфат железа имеет некоторые эксплуатационные дефекты, такие как низкая плотность вибрации и уплотнение, что приводит к низкой плотности энергии литий-ионного аккумулятора. Низкотемпературные характеристики оставляет желать лучшего, даже если нано- и углеродное покрытие не решило эту проблему. Аргоннская национальная лаборатория, доктор Дон Хиллебранд, директор центра систем хранения энергии, когда дело доходит до работы литий-железо-фосфатных батарей при низких температурах с ужасными характеристиками, их тип литий-железо-фосфатно-литиево-ионных батарей показывает, что литий-железо-фосфатные литий-ионные батареи железо-фосфатный аккумулятор при низкой температуре (ниже 0 ℃) не смог бы сделать электромобиль. Хотя некоторые производители заявляют, что литий-железо-фосфатная батарея сохраняет емкость хорошо при низких температурах, то есть в случае низкого тока разряда и низкого напряжения отсечки. В этом случае устройство вообще не запустится.

3. Стоимость производства материалов выше, чем у батарей, с низким выходом и плохой консистенцией. Хотя нанометровое и углеродное покрытие из фосфата лития-железа улучшают электрохимические свойства материалов, они также создают другие проблемы, такие как снижение плотности энергии, увеличение стоимости синтеза, плохие характеристики обработки электродов и жесткие требования к окружающей среде. Хотя химические элементы Li, Fe и P в фосфате лития-железа имеются в большом количестве и стоимость невысока, стоимость полученного продукта из фосфата лития-железа не является низкой. Даже если исключить затраты на исследования и разработки на ранней стадии, стоимость процесса изготовления материала и высокая стоимость подготовки батарей повысят стоимость конечного накопителя энергии.

4. Плохая консистенция продукта. В настоящее время в Китае нет завода по производству литий-железо-фосфатного материала, который мог бы решить эту проблему. С точки зрения приготовления материала реакция синтеза фосфата лития-железа представляет собой сложную многофазную реакцию, включающую твердофазные фосфаты, оксиды железа и соли лития, а также предшественник углерода и восстановительную газовую фазу. В этом сложном процессе реакции трудно гарантировать постоянство реакции.

5. Вопросы интеллектуальной собственности. В настоящее время основной патент на фосфат лития-железа принадлежит Техасскому университету, а патент на углеродное покрытие подает канадец. Обойти эти два основных патента невозможно, и если лицензионные платежи будут включены в стоимость, стоимость продукта вырастет еще больше.

Кроме того, благодаря опыту исследований, разработок и производства литий-ионных аккумуляторов Япония стала первой страной, в которой появились коммерческие литий-ионные аккумуляторы, и заняла рынок литий-ионных аккумуляторов высокого класса. Соединенные Штаты, хотя и являются лидерами в некоторых фундаментальных исследованиях, до сих пор не имели крупного производителя литий-ионных аккумуляторов. Поэтому для Японии более разумно выбрать модифицированный манганат лития в качестве материала положительного электрода для динамических литий-ионных батарей. Даже в Соединенных Штатах производители литий-фосфата железа и манганата лития в качестве анодных материалов для литий-ионных батарей разделены поровну, и федеральное правительство поддерживает развитие обеих систем. Ввиду вышеупомянутых проблем, существующих в фосфате лития-железа, его трудно широко использовать в качестве материала положительного электрода для динамических ионно-литиевых батарей в транспортных средствах с новой энергией и в других областях. Если он сможет решить проблему плохих характеристик высокотемпературного цикла и хранения манганата лития, он будет иметь большой потенциал в применении динамических литий-ионных батарей благодаря его преимуществам низкой стоимости и высокой производительности увеличения.

Страница содержит содержимое машинного перевода.