Железный аккумулятор BYD Toyota сравнение преимуществ и недостатков твердотельных аккумуляторов

В Японии постоянно развивается разработка «твердотельных батарей», которые представляют собой батареи нового поколения, которые превосходят существующие литий-ионные батареи. Университет Тохоку и Toyota Motor сократили время зарядки всех твердотельных аккумуляторов до одной десятой от времени зарядки обычных аккумуляторов. Другие группы НИОКР Северо-Восточного университета разработали легкие твердотельные батареи и снизили рабочие температуры. Кроме того, южнокорейская компания Samsung Electronics также разрабатывает технологии для увеличения срока службы всех твердотельных батарей. В Японии и за рубежом конкуренция за практические разработки становится все более ожесточенной.

Раствор электролита, который является основным материалом литиевой батареи, содержит органический растворитель, который легко воспламеняется. В твердотельных батареях вместо жидкого электролита используется твердый электролит. Поскольку ионы лития перемещаются в трудно горючем твердом электролите, безопасность значительно повышается. Хотя теоретически по сравнению с батареями, использующими электролиты, все твердотельные батареи имеют больше накопителя энергии и более высокую выходную мощность. Однако полностью твердотельные батареи, разработанные в прошлом, трудно превзойти по характеристикам обычных батарей, и их трудно применить на практике.

В своем исследовании доцент Ичиро Таро из Университета Тохоку в Японии и другие сосредоточили свое внимание на проблемах взаимодействия электролита и электродов. Электролит и электрод идеально подогнаны друг к другу с помощью вакуумного устройства и изменения способа изготовления батареи. Ионы лития легко перемещаются в батарее из-за плотного прилегания интерфейса. Проблема отсутствия плотного прилегания твердого электролита и электрода из-за трещин и загрязнений решена.

В эксперименте, проведенном с использованием прототипа твердотельной батареи, время зарядки было сокращено с 30 минут или более, необходимых для обычной батареи, использующей раствор электролита, до 3 минут. Если для аккумулятора электромобиля (EV) используется полностью твердотельный аккумулятор, будет достигнута быстрая зарядка. В будущем мы будем способствовать развитию вместе с Toyota и производителями аккумуляторов.

Такое же использование соединений лития и водорода в качестве электролитов профессором Северо-Восточного университета Янь Мао, профессором Ю и лекторами снизило вес всех твердотельных батарей более чем наполовину. Ранее разработанные твердотельные батареи с использованием сульфидов и оксидов в качестве электролитов были тяжелее, чем батареи с электролитами.

После использования соединения лития и водорода возникает проблема, заключающаяся в том, что он может работать только в высокотемпературной среде, но состав электролита улучшается с исходных 120 градусов Цельсия до 90 градусов Цельсия. Задача в будущем - заставить батарею нормально работать при комнатной температуре. Компания планирует сотрудничать с Mitsubishi Gas Chemicals, чтобы через пять лет достичь практического уровня использования батарей в качестве чистых электромобилей.

Компания Samsung Electronics повысила срок службы твердотельных батарей с использованием сульфидов. После повторной зарядки и разрядки 500 раз емкость все еще может поддерживаться на уровне около 80%, что близко к практическому уровню. В прошлом существовала проблема, заключающаяся в том, что емкость быстро снижалась после многократной зарядки и разрядки. Однако эта проблема была решена путем тщательного улучшения структуры положительного электрода и равномерного распределения вещества, которое легко возбуждается в положительном электроде. Это достижение было представлено на семинаре по аккумуляторным батареям, проведенном в Киото в прошлом месяце.

В настоящее время основная литий-ионная батарея имеет более высокую выходную мощность на единицу объема и большую емкость. В основном используется в портативных терминалах и чисто электрических транспортных средствах. Однако высокая температура может вызвать повреждение, и есть мнения, указывающие на угрозу безопасности.

Новое поколение аккумуляторов: чистые электромобили, оснащенные существующими литий-ионными батареями, могут проехать на одном электротяге всего около 200 километров. А бензиновый автомобиль с полным баком может проехать около 500 километров. Целью аккумуляторов нового поколения является повышение производительности до уровня, равного или выше, чем у бензиновых автомобилей. Также стремитесь повысить безопасность и долговечность, а также сократить время зарядки.

В дополнение к полностью твердотельным батареям и натриево-ионным батареям, батареи нового поколения, которые сейчас разрабатываются, включают воздушные батареи, которые используют воздух в воздухе для снижения веса, и мультивалентные ионные батареи, которые используют большое количество энергии. электричество, такое как ионы магния.

Как и в случае с полностью твердой батареей, после реальных испытаний электромобилей в последние годы безопасность железной батареи BYD была подтверждена отраслевыми гигантами, но каковы преимущества и недостатки железа с твердотельной батареей? аккумулятор?

На самом деле литиевая батарея - это всего лишь общий термин. Если его разделить в соответствии с материалом катода, будут кобальтат лития, манганат лития и фосфат лития-железа. Ниже описаны преимущества и недостатки литиевой батареи.

Что такое литий-железо-фосфатный аккумулятор?

Внутренняя часть литий-ионной батареи в основном состоит из положительного электрода, электролита отрицательного электрода и сепаратора. Положительный, отрицательный и электролит литий-ионного аккумулятора могут иметь разные характеристики и разные названия в зависимости от используемых материалов. Литиевые батареи, которые обычно используются на рынке, подразделяются на кобальтат лития (LiCoO2) и манганат лития (LiMn2O4), и главный персонаж в этой статье - фосфат лития-железа (LiFePO4).

Как своего рода литиевая батарея, фосфат лития-железа в основном используется в области энергосистем, таких как электромобили, военная авиакосмическая промышленность, электроинструменты и ИБП. Он больше подходит из-за его превосходной структурной стабильности, характеристик безопасности и длительного срока службы. Используется в области энергосистем. Литий-железо-фосфатные батареи имеют по крайней мере пять преимуществ перед литий-ионными батареями, в которых используются другие положительные материалы.

Пять преимуществ, безопасность и долговечность

По сравнению с более распространенными литий-кобальтовыми и литий-манганатными батареями, представленными в настоящее время на рынке, литий-железо-фосфатные батареи имеют как минимум пять преимуществ: более высокая безопасность, более длительный срок службы и отсутствие тяжелых металлов и редких металлов (сырья), низкая стоимость, быстрое зарядка и широкий диапазон рабочих температур.

Повышенная безопасность

Фосфат лития-железа полностью решает проблему опасности кобальтата лития и манганата лития. Это показывает, что прочность связывания фосфатной химической связи выше, чем у традиционной структуры с избыточным содержанием оксида металла, поэтому структура более устойчива, и выделять кислород нелегко.

Более длительный срок службы

В настоящее время большинство литий-ионных батарей, используемых в мобильных источниках питания на рынке, имеют срок службы около 500-800 раз, в то время как литий-железо-фосфатные батареи имеют срок службы не менее 2000 раз, а их емкость может поддерживаться на уровне выше 80%. Следовательно, если внутренний накопитель энергии мобильного источника питания представляет собой продукт из фосфата лития-железа, он имеет преимущество в отношении абсолютного нормального срока службы.

Не содержит тяжелых металлов и редких металлов.

Катодный материал литий-железо-фосфатной батареи не содержит драгоценных металлов и редких металлов, поэтому он более экологичен и может эффективно снизить загрязнение окружающей среды. Кроме того, широкий диапазон источников материалов также делает его более дешевым и более дешевым.

Поддержка быстрой зарядки

С точки зрения скорости зарядки, фосфат лития-железа также имеет большее преимущество, поддерживая характеристики быстрой зарядки для поддержки скорости зарядки не менее 2C (C - параметр зарядки, такой как емкость аккумулятора 1000 мАч, ток 2C составляет 1000 мА × 2 = 2000 мА ), что позволяет значительно сократить время зарядки.

Широкий диапазон рабочих температур

По сравнению с другими литиевыми батареями, литий-железо-фосфатные батареи имеют больший диапазон рабочих температур и могут нормально работать при температуре от -20 ° C до +75 ° C. Некоторые литий-железо-фосфатные батареи с высокой термостойкостью также могут использоваться при 350 ° C. Нормальная работа в диапазоне от ° C до 500 ° C имеет больше преимуществ, чем предел 200 ° C для манганата лития и оксида лития-кобальта.

Поэтому по сравнению с литий-кобальтовыми и литиево-манганатными батареями наиболее очевидными преимуществами литий-фосфата железа являются чрезвычайно высокий коэффициент безопасности, поддержка быстрой зарядки (сильноточная зарядка) и более широкий диапазон рабочих температур. Это позволяет потребителям беспокоиться о безопасности литиевых батарей и использовать их в более суровых условиях. Однако у литий-фосфата железа есть некоторые недостатки по сравнению с широко используемыми батареями из оксида лития и манганата лития, см. Ниже.

Три основных недостатка все еще не идеальны

Кратко представив преимущества литий-железо-фосфатных батарей, давайте рассмотрим некоторые из существующих недостатков. Его в основном делят на три аспекта: низкая плотность утряски, проблема с консистенцией и высокая стоимость производства.

Низкая плотность нажатия

Для литий-ионных батарей плотность отводов может определять размер батареи при той же емкости, а более низкая плотность отводов является недостатком, который необходимо решить в нынешних литий-железо-фосфатных батареях. По сравнению с кобальтатом лития и манганатом лития, литий-железо-фосфатные батареи той же емкости больше, что является одной из причин, почему литий-железо-фосфатные батареи не получили широкого распространения в области мобильных телефонов и тому подобного.

Проблема согласованности

Хотя литий-железо-фосфатные батареи имеют абсолютное преимущество по сроку службы по сравнению с литий-кобальтовыми батареями и литиево-манганатными батареями. Однако в режиме работы от батареи срок его службы значительно сократится. Поскольку аккумуляторная батарея соединена большим количеством отдельных ячеек последовательно, в случае выхода из строя одной аккумуляторной батареи во всем аккумуляторном блоке замена очень проблематична, поэтому текущий номинальный цикл аккумуляторной батареи в электромобиле. Причина такой же жизни 500 раз.

Более высокие производственные затраты

Поскольку физические свойства материала положительного электрода из фосфата лития и железа сильно отличаются от свойств других материалов литиевых батарей, размер частиц мал, плотность утряски и т.п. высокий, а номинальное напряжение - 3,2. В, ниже, чем напряжение обычной литиевой батареи 3,7 В, поэтому требования к производству всего состава батареи и соответствующего производственного оборудования и процессов выше, чем у других литиевых батарей.

В дополнение к указанным выше трем основным недостаткам литий-железо-фосфатных батарей, все еще существует потенциальная проблема, которая препятствует разработке литий-железо-фосфатных батарей, которая представляет собой патентный спор катодных материалов. Пусть текущая общая стоимость фосфата лития-железа будет выше, чем популяризованные батареи из оксида лития-кобальта и манганата лития. Однако отрадно, что в последнее время проблема с патентом решена.

Светлое будущее

В следующей таблице сравниваются несколько очевидных сравнений данных между литий-железо-фосфатными батареями и литиево-манганатными и литий-кобальтоксидными батареями, в основном по нескольким аспектам, таким как номинальное напряжение, диапазон напряжения заряда и разряда и удельная объемная энергия.

Резюме: будь то фосфат лития-железа, оксид лития-кобальта, манганат лития или твердотельная батарея, следующее направление развития может не только сосредоточиться на улучшении плотности энергии, но и в безопасности батареи, в ближайшие несколько лет, аккумулятор будет использоваться в больших масштабах. После этого эта проблема будет выделена. Научно-исследовательские учреждения должны планировать заранее и устранять эти скрытые опасности в колыбели. Это парализованная ситуация, позволяющая избежать взлета индустрии электромобилей.

Страница содержит содержимое машинного перевода.