В чем преимущества и недостатки литий-железо-фосфатной батареи

Введение литий-железо-фосфатной батареи

Литий-железо-фосфатный аккумулятор относится к литий-ионным аккумуляторным батареям. Одно из основных применений - это аккумуляторная батарея. Он имеет очевидные преимущества перед никель-металлгидридными и никель-кадмиевыми батареями.

Скорость зарядки и разрядки литий-железо-фосфатной батареи относительно выше, 80% -90%. У свинцово-кислотных аккумуляторов 80%.

Преимущества и недостатки литий-железо-фосфатного аккумулятора

Преимущества литий-железо-фосфатной батареи

Улучшение показателей безопасности

Учитывая, что связь PO кристалла фосфата лития-железа слишком устойчива, чтобы ее можно было разрушить. Он не разрушает структуру, не нагревается и не образует сильного окислителя, что доказывает его отличные характеристики безопасности. Сообщалось о случаях, когда у некоторых образцов наблюдались явления возгорания после иглоукалывания или при испытании на короткое замыкание, но не происходило взрыва. Тем не менее, она обеспечивает больший прогресс в обеспечении безопасности, чем обычная литий-кобальтовая батарея с жидким электролитом.

Улучшение жизненного цикла

Литий-железо-фосфатный аккумулятор представляет собой литий-ионный аккумулятор, в котором в качестве анодного материала используется фосфат лития-железа.

Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов с длительным сроком службы составляет около 300 раз, а максимальный - 500 раз. Тем не менее, литий-железо-фосфатный аккумулятор может работать более 2000 раз и 2000 раз при стандартной зарядке (5 Ач). Свинцово-кислотный аккумулятор такого же качества можно использовать в течение полугода как новый, полгода как старый и еще полгода после технического обслуживания. Прежде всего, его жизненный цикл составляет около 1-1,5 года. Напротив, литий-железо-фосфатные батареи теоретически могут использоваться в течение 7-8 лет при тех же обстоятельствах. В целом, соотношение производительности и цены у литий-железо-фосфатного аккумулятора будет более чем в 4 раза, чем у свинцово-кислотного аккумулятора. Его можно быстро зарядить током 2C и полностью зарядить за 40 минут при температуре ниже 1,5C с помощью указанного зарядного устройства. Пусковой ток может достигать 2С, свинцово-кислотный аккумулятор в настоящее время не имеет таких характеристик.

Хорошие высокотемпературные характеристики

Обладает широким диапазоном рабочих температур (-20C - + 75C) и хорошими высокотемпературными характеристиками. Пиковое значение электрического нагрева фосфата лития-железа может достигать 350 ℃ -500 ℃, в то время как манганит лития и оксид лития-кобальта составляет около 200 ℃.

Большая емкость

Литий-железо-фосфатный аккумулятор имеет большую емкость, чем обычный аккумулятор (свинцово-кислотный и т. Д.). 5AH-1000AH (одна батарея)

Без эффекта памяти

Если аккумуляторная батарея всегда работает без полной разрядки, ее емкость быстро уменьшится, чем номинальная емкость. Такая ситуация называется эффектом памяти. Батарея NI-MH и никель-кадмиевая батарея имеют эффект памяти, но не литий-железо-фосфатная батарея. Независимо от его состояния, заряжайте и используйте в любое время, нет необходимости подзаряжать после полной разрядки.

Легкий вес

Объем литий-железо-фосфатной батареи такой же емкости составляет 2/3, как свинцово-кислотный аккумулятор, и его вес составляет 1/3, как свинцово-кислотный аккумулятор.

Защита окружающей среды

Считается, что в литиево-железо-фосфатной батарее нет тяжелых металлов или редких металлов (для батареи NI-MH нужен редкий металл). Это нетоксичный (прошел сертификат SGS), чрезвычайно экологически чистый аккумулятор, соответствующий требованиям RoHS. С точки зрения защиты окружающей среды эта батарея включена в «863» национальных схем развития высоких технологий и становится ключевым проектом при поддержке и поощрении со стороны государства. По мере вступления Китая в ВТО объем экспорта китайских электровелосипедов будет быстро расти. В настоящее время все электрические велосипеды, импортируемые в Европу, нуждаются в изготовлении экологически чистых аккумуляторов.

Однако некоторые эксперты заявили, что загрязнение, вызванное свинцово-кислотными аккумуляторами, в основном происходит из-за нерегулярного производственного процесса и переработки на предприятиях. Точно так же литий-ионный аккумулятор не может предотвратить загрязнение тяжелыми металлами, даже если он относится к новой энергетической отрасли. Во время обработки свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, хром и другие вещества могут попадать в пыль и воду. Батарея сама по себе является химическим веществом, поэтому она может вызывать два вида загрязнения: один - это промышленные отходы, другой - загрязнение батареи после металлолома.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор также имеет свои недостатки: такие как плохие низкотемпературные характеристики, малая плотность материала анода на выходе. Литий-железо-фосфатная батарея той же емкости имеет больший объем, чем литий-кобальтооксидная батарея, поэтому она не имеет преимуществ перед микро-батареями. Он по-прежнему должен решать проблему целостности батареи, как и любой другой аккумулятор, когда он используется в качестве аккумулятора.

Сравнение мощности аккумулятора

В настоящее время анодные материалы, которые в основном используются в литий-ионных батареях, включают манганит лития, фосфат лития-железа и трехкомпонентный литий-манганитовый материал Ni-Co. Этот тройной материал трудно стать основным в литий-ионных аккумуляторных батареях для электрических транспортных средств из-за нехватки ресурсов кобальта, высокой стоимости никеля, кобальта и колебаний цен, но его можно до некоторой степени использовать вместе со шпинелью манганита лития.

Промышленное приложение

Алюминиевая фольга с углеродным покрытием помогает промышленности литий-ионных аккумуляторов в технических инновациях и модернизации отрасли.

Повысьте производительность литий-ионного аккумулятора и улучшите скорость разряда.

Поскольку требования к характеристикам отечественного производства аккумуляторов становятся все более и более жесткими, широкое распространение получили новые материалы для аккумуляторов: проводящий материал и проводящее покрытие из алюминиевой фольги / медной фольги.

Его преимущества: когда речь идет о материале аккумулятора, он обладает хорошими высокими характеристиками зарядки и разрядки, большей удельной емкостью, но плохой стабильностью при циклической работе, что может помочь остановить непрерывное использование.

Применение продукта: внутри аккумуляторной батареи автомобиля для гольфа

Это прекрасное покрытие, которое улучшает характеристики аккумуляторов и ведет индустрию аккумуляторов в новую эру.

Электропроводящее покрытие состоит из отдельной покрывающей частицы нанопроводящего графита. Он может обеспечить отличную статическую проводимость за счет слоя защиты от поглощения энергии, который имеет защитные свойства. Есть жидкое покрытие и покрытие на основе растворителя. Оба они могут использоваться на алюминиевых листах, медных листах, биполярных пластинах из нержавеющей стали, алюминия и титана.

Покрытие с углеродным покрытием может улучшить характеристики литий-ионного аккумулятора, как показано ниже.

Уменьшите внутреннее сопротивление аккумулятора и сдерживайте увеличение динамического сопротивления в процессе зарядки и разрядки.

Видимо улучшит целостность аккумуляторной батареи и снизит стоимость.

Улучшить адгезионную способность активного материала и токосъемника, чтобы снизить стоимость изготовления полюсных наконечников.

Уменьшите поляризацию, улучшите характеристики скорости и уменьшите низкий тепловой эффект.

Не допускайте коррозии токоприемника электролитом.

Контролируйте все факторы, чтобы продлить срок службы батареи.

Толщина покрытия: однослойный обычно составляет 1 ～ 3 мкм.

В настоящее время Япония и Южная Корея в основном разрабатывают литий-ионные силовые батареи с литий-манганитом и тройным литий-манганитом Ni-Co в качестве анодного материала. Америка в основном изобретает литий-ионные силовые батареи с фосфатом лития-железа в качестве анодного материала, но ее основной производитель транспортных средств решает использовать литий-ионные силовые батареи на основе марганца в PHEV и электромобилях. Сообщается, что американская компания A123 рассматривает возможность расширения в области литиево-манганитного материала, в то время как европейские страны, такие как Германия, стремятся сотрудничать с производителями аккумуляторных батарей в других странах для разработки силовых транспортных средств, например, альянс между Daimler-Benz и France Saft. , соглашение о сотрудничестве между немецким Volkswagen и японской SANYO. В последнее время немецкий Volkswagen и французский Renault разрабатывают и производят литий-ионные аккумуляторные батареи.

Недостатки литий-железо-фосфатного аккумулятора

Возможность применения материала зависит не только от его преимуществ, но и более важным моментом является наличие у него принципиальных недостатков.

Литий-фосфат железа в последнее время широко используется в качестве анодного материала в литий-ионных батареях в домашних условиях. Правительство, научно-исследовательские учреждения, предприятия и даже аналитики рынка в охранных компаниях оптимистично относятся к этому материалу и рассматривают его как направление развития литий-ионных аккумуляторных батарей. Что касается причин, то в основном есть два фактора: во-первых, на них влияет американское направление развития. American Valence и A123 - первые две компании, которые использовали фосфат лития-железа в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, нет литий-манганитного материала с хорошими характеристиками циркуляции и хранения при высоких температурах, который можно было бы использовать в литий-ионных аккумуляторах дома. Однако фосфат лития-железа все еще имеет некоторые заметные фундаментальные недостатки, а именно:

В процессе спекания фосфата лития-железа оксид железа может снова превратиться в железо в условиях восстановления при высокой температуре. Железо приведет к микрокороткому замыканию батареи, и это самое табу для батареи. Это также причина, по которой Япония не использует фосфат лития-железа в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторных батареях.

У фосфата лития-железа есть некоторые эксплуатационные недостатки, такие как низкая плотность утряски и плотность уплотнения, что также приводит к низкой плотности емкости. Кроме того, проблема его плохих низкотемпературных характеристик не может быть решена даже с помощью нанокристаллизации и инкапсуляции углерода. Врач Дон Хиллебранд, директор центра системы хранения энергии американской Аргоннской национальной лаборатории, описал низкотемпературные характеристики литий-железо-фосфатной батареи словом «ужасно». Отчет об испытании литий-железо-фосфатной батареи показывает, что ее нельзя использовать в электромобиле при низкой температуре (ниже 0 ℃). Некоторые фабрики по-прежнему считают, что коэффициент сохранения емкости литий-железо-фосфатной батареи вполне нормален при низких температурах, но это происходит только при небольшом токе разряда и низком напряжении отключения. В этом случае устройство не может нормально работать.

Литий-фосфат железа имеет высокую стоимость материала и производства, низкий выход продукции и низкую консистенцию. Нанокристаллизация и инкапсуляция углерода действительно улучшают электрохимические характеристики материала, но все же приводят к другим проблемам, таким как низкая плотность энергии, высокая стоимость синтеза материала, сбой при обработке электрода и строгие требования к окружающей среде. Хотя химические элементы Li, Fe и P являются богатыми ресурсами и имеют низкую цену, стоимость процесса производства фосфата лития-железа не является низкой. За исключением затрат на НИОКР, затраты на обработку материалов и аккумуляторную батарею повысят стоимость конечной единичной емкости хранилища.

Плохая консистенция продукта: ни один завод по производству фосфата лития-железа не может решить эту проблему. Что касается обработки материалов, реакция синтеза фосфата лития-железа представляет собой сложную гетерогенную реакцию, включающую твердоидный фосфат, оксиды железа, литий, предшественник углерода и газовую фазу восстановителя. Во время сложной химической реакции сложно обеспечить постоянство реакции.

Проблема интеллектуальной собственности: первый патент на фосфат лития-железа был подан FXMITTERMAIER & SOEHNEOHG (DE) 25 июня 1993 г. Результат был объявлен в следующем году. Основной патент на фосфат лития-железа принадлежит Американскому университету Техаса, а патент с инкапсулированным углеродом принадлежит канадцам. Эти два патентных гонорара также увеличат стоимость продукта.

Что касается опыта исследований и разработок и производства литий-ионных аккумуляторов, Япония является первой страной с коммерциализацией и постоянно играет ведущую роль в бизнесе литий-ионных аккумуляторов высокого класса. Хотя в Америке есть ведущие фундаментальные исследования, в Америке нет крупных предприятий по производству литий-ионных аккумуляторов. Поэтому для Японии имеет смысл использовать литий-манганит в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторных батареях. Даже в Америке количество производителей, использующих фосфат лития, железа и манганит лития в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторных батарей, в конечном итоге разделилось поровну. Федеральное правительство поддерживает исследования и разработки обоих этих материалов. Исходя из вышеупомянутых проблем, связанных с фосфатом лития-железа, его трудно широко использовать в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторных батарей в новых энергетических транспортных средствах. Если однажды кто-то сможет решить проблемы с высокой температурой циркуляции и плохой производительностью хранения, фосфат лития-железа должен быть действительно перспективным в применении литий-ионных аккумуляторных батарей с его преимуществами низкой стоимости и высокой производительности.

Принципы работы и особенности литий-железо-фосфатного аккумулятора

Полное название литиево-железного аккумулятора - литий-ионный литий-ионный аккумулятор. Это такое длинное название, что мы можем назвать его литиево-железо-фосфатным аккумулятором. Поскольку его характеристики действительно подходят для силовых приложений, так называемых литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей, некоторые могут называть их Li-Fe аккумуляторными батареями.

Значимость

К концу добавления этой словарной статьи (4 апреля 2013 г.) кобальт является самым дорогим на товарном рынке с небольшими хранилищами, никель и марганец дешевле, а железо - самым дешевым. Цены на анодные материалы также соответствуют этим металлам. Поэтому дешевле всего использовать литий-ионный аккумулятор с фосфатом лития-железа в качестве анодного материала. Кроме того, он экологически чистый.

Требования к перезаряжаемой батарее: высокая емкость, высокое выходное напряжение, хорошая производительность повторного цикла зарядки и разрядки, стабильное выходное напряжение, возможность зарядки и разрядки большим током, стабильные электрохимические характеристики, безопасность во время использования (не приведет к возгоранию или взрыву из-за для перезарядки, чрезмерной разрядки и т. д.), широкий диапазон рабочих температур, нетоксичный или малотоксичный, экологически чистый. Литий-железо-фосфатная батарея, использующая LiFePO4 в качестве анодного материала, имеет хорошие эксплуатационные требования, особенно в отношении большой скорости разряда (разряд при 5-10 ° C), стабильности напряжения разряда, безопасности (без возгорания, без взрыва), срока службы (время цикла), отсутствия загрязнения окружающей среды. среда. На данный момент это лучшая батарея с большой выходной мощностью.

Структура и принципы работы

Структура внутри батареи LiFePO4 показана на рисунке 1. Левая сторона - это LiFePO4 в оливине. Структура в качестве материала анода батареи, соединенная алюминиевой фольгой и анодом. Сепаратор в середине изолирует анод и катод, которые могут пропускать Li +, но не e-. Справа расположен катод, объединенный углеродом (графитом), который соединен медной фольгой и катодом. Это электролит между верхним и нижним концом. Батарея опломбирована снаружи металлической.

Во время зарядки Li + литий-железо-фосфатной батареи передается на катод через полимерный сепаратор. Во время разряда Li + переходит на анод через сепаратор. Этот вид передачи литий-ионных аккумуляторов во время зарядки и разрядки является причиной того, что его называют литий-ионным аккумулятором.

Основная производительность

Номинальное напряжение LiFePO4 аккумулятора составляет 3,2 В, ограниченное напряжение заряда составляет 3,6 В, а конечное напряжение составляет 2,0 В. Он будет иметь различия в производительности из-за различных материалов анода и катода, качества и процесса изготовления электролитов. Например, емкость аккумулятора сильно различается (10% -20%) у одного и того же типа (стандартная батарея в той же упаковке).

Основные характеристики литиево-железо-фосфатной аккумуляторной батареи приведены на рисунке 1. Для сравнения с любой другой аккумуляторной батареей здесь также указаны другие типы аккумуляторных батарей. Следует отметить, что есть некоторые различия по каждому параметру производительности разных заводов по производству литий-железо-фосфатных батарей. Кроме того, некоторые характеристики аккумулятора не указаны в списке, например, внутреннее сопротивление, скорость саморазряда, температура зарядки и разрядки и т. Д.

Существуют большие различия в емкости литий-железо-фосфатных батарей, которые можно разделить на три категории: мелкие - от нескольких десятых мАч до нескольких мАч, средние - десятки мАч, а крупные - сотни мАч. . Также есть некоторые отличия на разных типах аккумуляторов с одинаковыми параметрами. Здесь показаны параметры цилиндрической малогабаритной литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареи с широким применением. Внешний размер: диаметр 18 мм, высота 650 мм (тип № 18650).

Испытание на перегрузку до нулевого напряжения

Выполните тестовую разрядку до нулевого напряжения от литиево-железо-фосфатной аккумуляторной батареи STL18650 (1100 мАч). Условия тестирования: зарядите батареи со скоростью зарядки 0,5 ° C, а затем разрядите до тех пор, пока их напряжение не станет равным нулю со скоростью зарядки 1,0 ° C. Разделите эти батареи на две группы: одна хранит 7 дней, другая - 30 дней. После этого полностью зарядите батарею со скоростью зарядки 0,5c, а затем разрядите её с помощью 1,0c. Наконец, выясните разницу между этими двумя видами времени хранения при нулевом напряжении.

Результатом является отсутствие утечки через 7 дней хранения при нулевом напряжении, хорошая производительность и 100% емкость. Через 30 дней утечки нет, производительность хорошая, емкость 98%. Он может вернуть 100% емкости за три цикла зарядки и разрядки аккумулятора с 30-дневным хранением.

Этот тест доказывает отсутствие утечек и повреждений батареи даже при чрезмерной разрядке (даже до нулевого напряжения).

Особенности литий-железо-фосфатной батареи

Прежде всего, мы можем резюмировать характеристики LiFePO4 батареи следующим образом:

Выход с высокой эффективностью: стандартная разрядка составляет 2 ～ 5 ° C, после непрерывной разрядки большим током она может достигать 10 ° C, а мгновенная импульсная разрядка может достигать 20 ° C.

Хорошие характеристики при высоких температурах: внутренняя температура достигает 95 ℃, когда внешняя 65 ℃. После окончания выгрузки температура достигает 160 ℃, а конструкция остается в целости и сохранности.

Лучше без огня, без взрыва и безопасно на батарее, даже если батарея внутри и снаружи была повреждена.

Он имеет фантастический срок службы, так как его емкость все еще превышает 95% после 500 циклов.

Никаких повреждений даже при разрядке до нулевого напряжения.

Он может быстро заряжаться.

Бюджетный

Отсутствие загрязнения окружающей среды.

Применение литий-железо-фосфатной батареи

Литий-железо-фосфатные батареи широко используются быстро, потому что они могут производить батареи с разной емкостью благодаря своим вышеупомянутым преимуществам. Его основные области применения следующие:

Масштабные электромобили: автобус, электромобиль, туристический автобус, HEV и т. Д.

Легкий электромобиль: электровелосипед, тележка для гольфа, малогабаритный аккумуляторный автомобиль с пластинкой, вилочный погрузчик, тележка для уборки, электрическая инвалидная коляска и т. Д.

Электроинструмент: электродрель, электропила, обрезчик и др.

Такие игрушки, как автомобиль, лодка, самолет и т. Д. С дистанционным управлением.

Устройство накопления энергии солнечной и ветровой энергии

ИБП и аварийный свет, предупреждающий свет и свет шахтера (отличные показатели безопасности)

Замена одноразовой литий-ионной батареи 3 В фотоаппарата, никель-кадмиевой или никель-гидридной аккумуляторной батареи 9 В (полностью того же размера)

Малогабаритное медицинское оборудование и портативный инструмент

Вот пример замены свинцово-кислотной батареи на литиево-железо-фосфатную батарею. Свинцово-кислотный аккумулятор с напряжением 36 В / 10 Ач (360 Вт-ч) и весом 12 кг имеет пробег около 50 км после однократной зарядки. Если зарядить аккумулятор около 100 раз, его можно использовать в течение года или около того. Он имеет расстояние около 80 км после зарядки в течение одного раза, может заряжаться 100 раз, а срок службы может достигать 3-5 лет, если его заменить на литий-железо-фосфатный аккумулятор весом 4 кг с той же емкостью 360 Вт-ч (двенадцать 10 А-ч. батареи последовательно). Хотя литий-железо-фосфатный аккумулятор дороже, чем свинцово-кислотный, лучше использовать литий-железо-фосфатный аккумулятор, исходя из общей экономической прочности и портативности.

Производительность литий-железо-фосфатной батареи

Производительность литий-ионной аккумуляторной батареи зависит от материалов анода и катода. Литий-фосфат железа использовался в качестве материала литий-ионных аккумуляторов в последние годы. Литий-железо-фосфатная батарея была изобретена в беспорядке дома в июле 2005 года. Показатели безопасности и срок службы не сопоставимы с другими материалами, что является наиболее важным техническим показателем для аккумуляторной батареи. Срок службы цикла зарядки и разрядки достигает 2000 раз при токе 1С. Нет возгорания после перезаряда напряжением 30В для одиночного элемента, нет взрыва с проколом. Литий-ионный аккумулятор большой емкости, изготовленный из фосфата лития-железа, легко подключить к сети, чтобы удовлетворить требованиям частой зарядки и разрядки электромобилей. Это идеальный анодный материал для литий-ионных аккумуляторов в новую эру с такими преимуществами, как нетоксичность, отсутствие загрязнения, хорошие характеристики безопасности, богатое сырье, низкая стоимость, длительный срок службы и т. Д.

Этот проект относится к разработке высокотехнологичных энергетических материалов функциональности, национальной программе 863, программе 973 и 11-й пятилетке ключевой поддержки развития высоких технологий.

Анод литий-ионной батареи изготовлен из фосфата лития-железа, который имеет большие преимущества в плане безопасности и долговечности, а также является одним из наиболее важных технических показателей. Срок службы цикла зарядки и разрядки достигает 2000 раз при токе 1С. Нет взрыва с проколом и нелегко привести к возгоранию и взрыву при перезарядке. Легче использовать литий-ионную батарею большой емкости, произведенную из литий-железо-фосфатной батареи, последовательно и параллельно.

Научное применение литий-железо-фосфатных батарей

В последнее время появилось много новостей о новых типах аккумуляторов, обеспечивающих отличный технологический процесс, и о возможности замены традиционных аккумуляторов. Поэтому есть надежда, что мобильный телефон и планшет будут иметь более длительный срок службы. Однако большинство этих аккумуляторов все еще находятся на стадии исследований, и трудно сказать, когда они станут коммерчески доступными. Теперь новая энергетическая компания DebochTEC.GmbH представила новую энергетическую технологию, более простую в использовании: литий-ионный аккумулятор с железом.

Официальный документ литий-железо-фосфатной батареи, анонсированный DebochTEC.GmbH, показывает, что удельная энергия 32650 одноэлементной батареи (диаметр 32 мм / длина 65 мм) может достигать 6000 мАч. По сравнению с одноэлементной батареей 32650 емкостью 5000 мАч в текущей отрасли, аккумулятор того же объема увеличился на 1000 мАч, что означает 20%, так что одна ячейка может заряжаться почти 4 раза для iPhone4S.

Более того, этот тип батареи может поддерживать 80% емкости после 3000 циклов перезарядки в условиях низкоскоростной зарядки и разрядки одноэлементной батареи, в то время как обычная батарея может перерабатывать только 500 раз при тех же обстоятельствах. Если заряжать и разряжать каждые три дня, аккумулятор можно использовать в течение 24 лет, так что это настоящий аккумулятор с длительным сроком службы.

Этот вид аккумуляторной техники нового типа может широко использоваться в портативных блоках питания, небольших ИБП, ноутбуках, автомобильных аккумуляторах и других устройствах. Чтобы иметь дело с различными средами применения, DebochTEC.GmbH производит батареи разных цветов в зависимости от разницы в циклах зарядки: золотой - для военных с 3000-кратным сроком службы; синий - для гражданской автомобильной зоны с жизненным циклом 2500 раз; зеленый - для небольших портативных мобильных устройств.