Знаете ли вы семь преимуществ и пять недостатков литий-железо-фосфатных батарей?

Полное название литиево-железо-фосфатной батареи - литий-железо-фосфатная батарея. Имя слишком длинное. Литий-железо-фосфатная батарея сокращенно обозначается как литий-железо-фосфатная батарея. Поскольку его характеристики особенно подходят для силовых приложений, к названию добавлено слово «мощность», а именно: литий-железо-фосфатный аккумулятор. Другие называют это «литиево-железный (LiFe) аккумулятор».

Принцип работы

Литий-железо-фосфатная батарея относится к литиево-ионной батарее, в которой в качестве катодного материала используется фосфат лития-железа. Оксид лития-кобальта, манганат лития, оксид лития-никеля, тройные материалы и фосфат лития-железа являются основными катодными материалами для литий-ионных батарей. Среди них оксид лития-кобальта является катодным материалом, используемым в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

Значимость

На рынке металлов кобальт (Co) является самым дорогим и имеет меньшую емкость хранения. Никель (Ni) и марганец (Mn) дешевле, а железо (Fe) имеет большую емкость. Цены на катодные материалы также соответствуют ценам на эти металлы. Следовательно, литий-ионные батареи из катодных материалов LiFePO4 должны быть очень дешевыми. Другой особенностью является то, что он экологически чистый и не загрязняет окружающую среду.

К аккумуляторным батареям предъявляются следующие требования: большая емкость, высокое выходное напряжение, хорошая производительность цикла заряда-разряда, стабильное выходное напряжение, сильноточный заряд-разряд, электрохимическая стабильность, безопасность в использовании (не вызывать возгорания или взрыва из-за неправильной работы перезаряда. , переразряд и короткое замыкание), широкий диапазон рабочих температур, нетоксичность или меньшая токсичность, а также отсутствие загрязнения окружающей среды. Литий-железо-фосфатная батарея с LiFePO4 в качестве катода имеет хорошие требования к рабочим характеристикам, особенно при разряде с высокой скоростью разряда (разряд 5-10 ° C), стабильном напряжении разряда, безопасности (без горения, без взрыва), сроке службы (номер цикла) и отсутствии загрязнения окружающей среды. среда. На сегодняшний день это лучшая сильноточная батарея с выходной мощностью.

Устройство и принцип работы

LiFePO4 служит положительным полюсом аккумулятора. Он соединен с положительным полюсом батареи алюминиевой фольгой и полимерной мембраной посередине. Он отделяет положительный полюс от отрицательного. Однако литий-ионный аккумулятор может проходить через отрицательный полюс батареи, а электронная электроника - нет. На правой стороне отрицательный полюс батареи состоит из углерода (графита), а медная фольга соединена с отрицательным полюсом батареи. Между верхним и нижним концами батареи находится электролит батареи, который герметизирован и заключен в металлическую оболочку.

Когда батарея LiFePO4 заряжена, ион лития Li в положительном электроде мигрирует к отрицательному электроду через полимерную диафрагму, а ион лития Li в отрицательном электроде мигрирует к положительному электроду через диафрагму во время разряда. Литий-ионные батареи названы в честь возвратно-поступательной миграции ионов лития во время зарядки и разрядки.

основное выступление

Номинальное напряжение LiFePO4 батареи составляет 3,2 В, напряжение завершения зарядки составляет 3,6 В, а напряжение прекращения разряда составляет 2,0 В. Поскольку качество и технология материалов положительных и отрицательных электродов и материалов электролитов, используемых разными производителями, различаются, их характеристики будут разными. Например, емкость батареи одного типа (стандартная батарея в той же упаковке) сильно различается (10% -20%).

Здесь указывается, что существуют некоторые различия в эксплуатационных характеристиках литий-железо-фосфатных силовых батарей, производимых на разных заводах. Кроме того, не учитываются некоторые характеристики аккумулятора, такие как внутреннее сопротивление аккумулятора, скорость саморазряда, температура зарядки и разрядки и т. Д.

Емкость литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей весьма различна, и их можно разделить на три категории: малые от нуля до нескольких миллиампер часов, средние десятки миллиампер часов и большие сотни миллиампер часов. Одни и те же параметры у разных типов аккумуляторов тоже разные.

Проверка переразряда до нулевого напряжения:

Литий-железо-фосфатный аккумулятор STL18650 (1100 мАч) использовался для проверки разряда до нулевого напряжения. Условия испытаний: 1 аккумулятор STL18650 емкостью 100 мАч был заполнен со скоростью заряда 0,5 ° C, а затем разряжен до напряжения аккумулятора 0 ° C со скоростью разряда 1,0 ° C. Батареи разделены на две группы: одна группа хранится 7 дней, другая группа хранится 30 дней; по истечении срока хранения аккумуляторы наполняются со скоростью заряда 0,5 ° C, а затем разряжаются с помощью 1,0 ° C. Наконец, сравниваются различия между двумя периодами хранения при нулевом напряжении.

Результаты испытаний показывают, что после 7 дней хранения при нулевом напряжении аккумулятор не протекает, имеет хорошую производительность и 100% емкость; после 30 дней хранения аккумулятор не протекает, имеет хорошую производительность и емкость 98%; после 30 дней хранения батарея проходит три цикла зарядки и разрядки, а ее емкость восстанавливается до 100%.

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

преимущество

1. Повышение безопасности полетов

Связь PO в кристалле фосфата лития-железа стабильна и трудно разлагается. Даже при высокой температуре или перезарядке он не разрушается и не нагревается, как оксид лития-кобальта, и не образует сильных окисляющих веществ, поэтому имеет хорошую безопасность. Сообщалось, что небольшое количество образцов горело в экспериментах по пробиванию игл или короткому замыканию, но взрыва не произошло. В экспериментах с избыточной зарядкой взрыв все же обнаруживался при использовании заряда высокого напряжения, которое в несколько раз превышало само напряжение разряда. Тем не менее, его безопасность от перезаряда была значительно улучшена по сравнению с обычными литий-кобальтовыми батареями с жидким электролитом.

2. Увеличение продолжительности жизни

Литий-железо-фосфатная батарея относится к литиево-ионной батарее, в которой в качестве катодного материала используется фосфат лития-железа.

Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов с длительным сроком службы составляет около 300 раз, а максимальный - 500 раз. Срок службы литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей составляет более 2000 раз, а стандартная скорость зарядки (5-часовая скорость) может достигать 2000 раз. Свинцово-кислотные аккумуляторы того же качества - «новые полугодия, старые полугодия, полгода обслуживания», а максимальный срок службы составляет 1-1,5 года. Теоретический срок службы литий-железо-фосфатных аккумуляторов в тех же условиях составит 7-8 лет. При всестороннем рассмотрении соотношение производительности и цены более чем в четыре раза превышает теоретическое соотношение свинцово-кислотных аккумуляторов. Сильноточный разряд может быстро заряжать и разряжать 2C. Под специальным зарядным устройством аккумулятор можно зарядить за 40 минут после зарядки 1,5С. Пусковой ток может достигать 2С, но свинцово-кислотный аккумулятор такой производительности не имеет.

3. Хорошие высокотемпературные характеристики.

Пиковое значение фосфата лития-железа может достигать 350500, в то время как пиковое значение манганата лития и кобальта лития составляет всего около 200 C. Диапазон рабочих температур широкий (-20C-75C), а пиковое значение фосфата лития-железа с высокой термостойкостью может достигать 350-500 (-20C-75C), в то время как манганат лития и оксид лития-кобальта составляют всего около 200 (-20C-75C).

4. Большая емкость

Зарядные батареи часто работают как в полностью заряженных, так и в незавершенных условиях, и их емкость быстро падает ниже номинальной. Это явление называется эффектом памяти. Например, никель-водородные и никель-кадмиевые батареи имеют память, но литий-железо-фосфатные батареи не имеют этого явления. Независимо от того, в каком состоянии находятся батареи, их можно использовать во время зарядки, не вынимая и не перезаряжая их предварительно.

6. Легкий вес.

Литий-железо-фосфатная батарея такой же емкости по объему составляет 2/3 от объема свинцово-кислотной батареи, а вес составляет 1/3 от веса свинцово-кислотной батареи.

7, охрана окружающей среды

Литий-железо-фосфатные батареи обычно считаются не содержащими тяжелых металлов и редких металлов (никель-водородные батареи нуждаются в редких металлах), нетоксичны (сертификация SGS), не загрязняют окружающую среду, в соответствии с европейскими правилами RoHS, для получения абсолютного экологического сертификата батареи. . Таким образом, промышленность отдает предпочтение литиевым батареям, главным образом, из соображений защиты окружающей среды. Таким образом, аккумуляторы включены в национальный план развития высоких технологий «863» на период «десятой пятилетки», который стал ключевым национальным проектом по поддержке и поощрению развития. Со вступлением Китая в ВТО объем экспорта китайских электрических велосипедов будет быстро расти, и электрические велосипеды, поступающие в Европу и Америку, должны были оснащаться экологически чистыми батареями.

Но некоторые эксперты говорят, что загрязнение окружающей среды свинцово-кислотными аккумуляторными батареями в основном происходит из-за нестандартного производственного процесса предприятия и процесса переработки. Точно так же литиевые батареи хороши в новой энергетической отрасли, но они не могут избежать проблемы загрязнения тяжелыми металлами. Свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и хром могут попадать в пыль и воду во время обработки металла. Сама по себе батарея представляет собой разновидность химического вещества, поэтому она может приводить к двум видам загрязнения: первое - это загрязнение технологическими экскрементами в производственной технике; второй - это загрязнение аккумуляторной батареи после утилизации.

Литий-железо-фосфатные батареи также имеют некоторые недостатки, такие как низкая производительность при низких температурах, низкая плотность уплотнения катодных материалов, больший объем литий-железо-фосфатных батарей с одинаковой емкостью, чем у литий-кобальтооксидных батарей, поэтому они не имеют преимуществ в микробатареях. . Что касается силовых батарей, литий-железо-фосфатные батареи, как и другие батареи, должны сталкиваться с проблемой целостности батареи.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор

недостаток

Имеет ли материал потенциал применения и развития, помимо внимания к его преимуществам, более важным является наличие у материала основных дефектов.

В настоящее время фосфат лития-железа широко используется в качестве катодного материала для литий-ионных батарей в Китае. Аналитики рынка из правительства, исследовательских институтов, предприятий и даже компаний, работающих с ценными бумагами, все воспринимают этот материал как направление развития литий-ионных батарей. Для этого есть две основные причины: во-первых, под влиянием направления исследований и разработок в Соединенных Штатах, Valence и компания A123 в Соединенных Штатах впервые использовали фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, литий-манганатные материалы с хорошими характеристиками цикличности при высоких температурах и хранением для литий-ионных батарей не производились в Китае. Но фосфат лития-железа также имеет некоторые фундаментальные недостатки, которые нельзя игнорировать. Таким образом, можно выделить следующие моменты:

1. В процессе спекания получения фосфата лития-железа существует возможность восстановления оксида железа до элементарного железа в высокотемпературной восстановительной атмосфере. Железо - самое табуированное вещество в батареях, которое может вызвать короткое замыкание батарей. Это также основная причина, по которой Япония не использовала этот материал в качестве катодного материала для литий-ионных батарей.

2. У литий-фосфата железа есть некоторые эксплуатационные дефекты, такие как низкая плотность уплотнения и плотность уплотнения, что приводит к низкой плотности энергии литий-ионных батарей. Низкие характеристики при низких температурах, даже если он наноразмерный и имеет углеродное покрытие, это не решает эту проблему. Доктор Дон Хиллебранд, директор Центра систем хранения энергии Аргоннской национальной лаборатории, рассказал о низкотемпературных характеристиках литий-железо-фосфатных батарей, которые он назвал ужасными. Результаты их испытаний литий-железо-фосфатных батарей показали, что литий-железо-фосфатные батареи не могут управлять электромобилями при низких температурах (ниже 0 C). Хотя некоторые производители заявляют, что литий-железо-фосфатные батареи сохраняют емкость хорошо при низких температурах, это происходит в случае низкого тока разряда и низкого напряжения отсечки. В этом случае устройство просто не может начать работу.

3. Стоимость подготовки материала выше, чем стоимость производства батареи, и выход батареи ниже, а консистенция плохая. Хотя нанокристаллизация и углеродное покрытие фосфата лития-железа улучшают электрохимические свойства материалов, они также создают другие проблемы, такие как снижение плотности энергии, увеличение стоимости синтеза, плохие рабочие характеристики электродов и строгие экологические требования. Хотя химических элементов Li, Fe и P в фосфате лития-железа много, а стоимость невысока, стоимость продуктов из фосфата лития-железа невысока. Даже если исключить затраты на предыдущие исследования и разработки, технологические затраты на этот материал плюс затраты на подготовку батарей 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 подготовки материалов, синтез фосфата лития-железа представляет собой сложную многофазную реакцию, включающую твердофазный фосфат, оксиды железа и соли лития, предшественники присоединения углерода и паровую фазу восстановления. 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 в США, а патент на углеродное покрытие применяют канадцы. Эти два основных патента нельзя обойти. Если гонорар рассчитывается в стоимости, стоимость продукта будет дополнительно увеличена.

Кроме того, исходя из опыта исследований, разработки и производства литий-ионных аккумуляторов, Япония стала первой страной, которая начала коммерциализацию литий-ионных аккумуляторов и заняла рынок литий-ионных аккумуляторов высокого класса. Хотя Соединенные Штаты лидируют в некоторых фундаментальных исследованиях, до сих пор нет крупного производителя литий-ионных аккумуляторов. Поэтому для Японии более разумно выбрать модифицированный манганат лития в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Даже в Соединенных Штатах производители, использующие фосфат лития, железа и манганат лития в качестве катодных материалов для литий-ионных батарей, составляют половину от общего количества. Федеральное правительство также поддерживает развитие обеих систем. Ввиду вышеупомянутых проблем, связанных с фосфатом лития-железа, его трудно широко использовать в качестве катодного материала для литий-ионных батарей в автомобилях с новой энергией и в других областях. Если манганат лития может решить проблему плохого высокотемпературного цикла и характеристик хранения, он будет иметь большой потенциал в применении силовых литий-ионных батарей с его преимуществами низкой стоимости и высокой производительности.

Страница содержит содержимое машинного перевода.