Каковы шесть преимуществ и пять недостатков литий-железо-фосфатных батарей?

Полное название литиево-железо-фосфатной батареи - ионно-литиево-железо-фосфатная батарея. Так как его характеристики особенно подходят для приложения питания, в название было добавлено слово «мощность», а именно: литий-железо-фосфатный аккумулятор. Его также называют аккумуляторной батареей «литиево-железо (Life)».

Принцип работы литий-железо-фосфатной батареи относится к литий-ионной батарее с фосфатом лития-железа в качестве материала положительного электрода. Анодные материалы литий-ионных аккумуляторов в основном включают литий-кобальтовую кислоту, литиево-марганцевую кислоту, литий-никелевую кислоту, тройные материалы, фосфат лития-железа и так далее. В настоящее время оксид лития-кобальта является материалом анода, используемым в большинстве литий-ионных батарей.

Имея в виду

На рынке металлов кобальт является самым дорогим и его меньше хранят, никель и марганец дешевле, а железо больше. Цены на анодные материалы также соответствуют ценам на эти металлы. Следовательно, литий-ионные батареи из анодных материалов LiFePO4 должны быть довольно 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 алюминиевой фольгой с положительным электродом батареи. В середине находится полимерная мембрана, которая отделяет положительный электрод от отрицательного. Но 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 разряда литий Li из отрицательного электрода мигрирует к положительному электроду через мембрану. Литий-ионные батареи названы в честь того, как они перемещаются 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 положительных и отрицательных электродов и материалов электролитов, 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 широко различаются по емкости и могут быть разделены на три категории: маленькие от нескольких десятых до нескольких 2/5000 миллиметров, средние от нескольких десятков до 2/5000 миллиметров и большие. в пределах от нескольких сотен миллиметров. 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; Когда срок хранения истечет, зарядите его со скоростью зарядки 0,5c и разрядите с помощью 1,0c. Наконец, сравнивались различия между двумя периодами хранения ZVS.

Результаты испытаний показывают, что после 7 дней хранения при нулевом напряжении аккумулятор не протекает, имеет хорошую производительность и 100% емкость. 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.

Преимущество

1. Повышение уровня безопасности

Ро-связь в кристалле фосфата лития-железа стабильна и ее трудно разлагать. 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. Улучшение жизни

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

Длительный срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 300 раз, максимальный - 500 раз, а срок службы литиево-железо-фосфатных аккумуляторов 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 обслуживание в течение полугода», максимум составляет 1 ~ 1,5 года, а литий-железо-фосфатная батарея в том же состоянии, теоретический срок службы достигнет 7 ~ 8 лет. В целом цена производительности более чем в 4 раза выше теоретической стоимости свинцово-кислотной батареи. Большой ток разряда может быть большим током 2C, быстрая зарядка и разрядка, в специальном зарядном устройстве заряд 1,5C может полностью зарядить аккумулятор в течение 40 минут, пусковой ток до 2C, но свинцово-кислотные аккумуляторы не обладают такими характеристиками.

3. Хорошие высокотемпературные характеристики.

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

Изучая аккумуляторную батарею в часто заполненной, чтобы не погаснуть в условиях работы, емкость быстро ниже номинальных значений емкости, это явление называется эффектом памяти. Никель-металлические и никель-кадмиевые батареи обладают памятью, в то время как литий-железо-фосфатные батареи не имеют такого явления. Независимо от того, в каком состоянии находится аккумулятор, его можно заряжать и использовать в любое время, без необходимости вынимать его перед зарядкой.

5. Легкий вес.

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

6, охрана окружающей среды

Литий-железо-фосфатные батареи обычно считаются свободными от тяжелых металлов и редких металлов (никель-металлические батареи нуждаются в редких металлах), нетоксичными (сертификация SGS), не загрязняющими окружающую среду, в соответствии с европейскими правилами ROHS, для абсолютно экологичной окружающей среды. Сертификат защиты аккумуляторной батареи. Таким образом, промышленность отдает предпочтение литиевым батареям, в основном из-за экологических соображений, поэтому батарея была включена в национальный план развития высоких технологий «863» в период «десятого пятилетнего плана» и стала ключевой национальной поддержкой и поощрять развитие проекта. Со вступлением Китая в ВТО экспорт электровелосипедов из Китая будет быстро расти, в то время как электровелосипеды, поступающие в США и Европу, должны быть оснащены экологически чистыми батареями.

Но некоторые эксперты говорят, что загрязнение окружающей среды, вызванное свинцово-кислотными аккумуляторами, в основном происходит в результате нестандартного производственного процесса и процесса переработки. Точно так же литиевые батареи хороши для новой энергетики, но они не защищены от загрязнения тяжелыми металлами. Металлические материалы, такие как свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и хром, могут попадать в пыль и воду. Батарея сама по себе является химическим веществом, поэтому может быть два вида загрязнения. Во-вторых, загрязнение аккумуляторной батареи после утилизации.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор также имеет свои недостатки: например, низкотемпературные характеристики плохие, материал положительного электрода вибрирует, плотность мала, объем литий-железо-фосфатного аккумулятора равной емкости больше, чем литий-ионный аккумулятор, такой как литий-кобальтовая кислота, поэтому он не имеет преимущества в микро батарее. При использовании в силовых батареях литий-железо-фосфатные батареи, как и другие батареи, должны сталкиваться с проблемой целостности батареи.

Недостатки

Независимо от того, есть ли у материала потенциал для развития приложений, помимо сосредоточения внимания на его преимуществах, более важным является наличие у материала фундаментальных 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. Компания Valence и A123 из США первыми использовали фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, литиевые марганцево-кислые материалы с хорошими характеристиками цикличности при высоких температурах и хранением 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 обжига 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 плохие, даже если химия NANO и углеродное покрытие не решают 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 просто не будет работать.

3. Стоимость подготовки материала выше, чем стоимость производства батареи, а ресурс батареи низкий при плохой консистенции. Хотя накипь MANO и углеродное покрытие из фосфата лития-железа улучшают электрохимические свойства материала, это также создает другие проблемы, такие как снижение плотности энергии, увеличение стоимости синтеза, плохие характеристики обработки электродов и жесткие требования к окружающей среде. Хотя химических элементов Li, Fe и P в фосфате лития-железа много, а стоимость невысока, стоимость производства продукта из фосфата лития-железа невысока. Даже если исключить первоначальные затраты на исследования и разработки, затраты на производство материала плюс затраты на подготовку батареи сделают конечную стоимость накопления энергии выше.

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 гетерогенную реакцию, включающую твердофазные фосфаты, оксиды железа и соли лития, а также предшественник углерода и восстановительную газовую фазу. В этом сложном процессе реакции трудно обеспечить постоянство реакции.

5. Права 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 роялти будут включены в стоимость, стоимость продукта вырастет еще больше.

Кроме того, исходя из опыта исследований, разработок и производства литий-ионных аккумуляторов, Япония является первой страной, в которой начали поступать коммерческие литий-ионные аккумуляторы, и занимает лидирующие позиции на рынке литий-ионных аккумуляторов. 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 марганцево-кислотный литий в качестве материала положительного электрода для динамических литий-ионных аккумуляторов. Даже в Соединенных Штатах производители литий-фосфата железа и марганцево-кислого лития в качестве анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов делятся 50 на 50, и федеральное правительство поддерживает обе системы. 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 циклирования и хранения литиево-марганцевой кислоты, 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.