О семи преимуществах и пяти недостатках литий-железо-фосфатной батареи

Полное название литий-железо-фосфатного аккумулятора - литий-железо-фосфатный литий-ионный аккумулятор. Поскольку его характеристики особенно подходят для силовых приложений, к его названию добавлено слово «мощность», а именно: литий-железо-фосфатный аккумулятор. Некоторые люди также называют это «Литиево-железный аккумулятор».

Принцип работы

Литий-железо-фосфатная батарея - это литий-ионная батарея, в которой в качестве материала положительного электрода используется фосфат лития-железа. Материалы положительного электрода литий-ионных аккумуляторов в основном включают оксид лития-кобальта, оксид лития-марганца, оксид лития-никеля, тройные материалы, фосфат лития-железа и т. Д. Среди них оксид лития-кобальта является материалом положительного электрода, используемым во многих литий-ионных аккумуляторах.

Значимость

На рынке торговли металлами кобальт (Co) - самый дорогой металл, и объем его хранения невелик. Никель (Ni) и марганец (Mn) относительно дешевы, а железо (Fe) хранится в больших количествах. Цена на катодный материал также соответствует цене на эти металлы. Следовательно, ионно-литиевая батарея, изготовленная из LiFePO4 в качестве материала положительного электрода, должна быть относительно недорогой. Еще одна его особенность в том, что она экологически чистая и экологически чистая.

К аккумуляторным батареям предъявляются следующие требования: высокая емкость, высокое выходное напряжение, хорошая производительность цикла зарядки и разрядки, стабильное выходное напряжение, сильноточный заряд и разряд, электрохимическая стабильность и безопасное применение (отсутствие перезаряда, переразряда и короткого замыкания, которые могут вызвать сжигание или разведка), широкий диапазон рабочих температур, нетоксичный или менее токсичный, без загрязнения окружающей среды. Литий-железо-фосфатная батарея, использующая LiFePO4 в качестве положительного электрода, имеет хорошие характеристики в соответствии с этими требованиями, особенно при большой скорости разряда (разряд 5 ~ 10 ° C), стабильном напряжении разряда, безопасности (без возгорания, без взрыва) и сроке службы (количество циклов). Это лучшая аккумуляторная батарея с высоким выходным током, которая не загрязняет окружающую среду.

Устройство и принцип работы

LiFePO4 используется в качестве положительного электрода батареи. Он соединен с положительным электродом батареи алюминиевой фольгой. Посередине - полимерный сепаратор. Он отделяет положительный электрод от отрицательного, который ион лития может пройти, а электрон - нет. Правая часть состоит из углерода (графита). Отрицательный электрод батареи соединен медной фольгой с отрицательным электродом батареи. Между верхним и нижним концами батареи находится электролит батареи, и батарея герметично закрыта металлическим кожухом.

Когда батарея LiFePO4 заряжается, ион лития в положительном электроде мигрирует к отрицательному электроду через полимерный сепаратор; во время периода разряда ион лития в отрицательном электроде мигрирует к положительному электроду через сепаратор. Литий-ионные батареи названы в честь ионов лития, которые перемещаются вперед и назад во время зарядки и разрядки.

Основное исполнение

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 разницы в качестве и технологии изготовления положительных и отрицательных материалов и материалов электролита также будут некоторые различия в их характеристиках. Например, одна и та же модель (стандартная батарея в той же упаковке) имеет большую разницу в емкости батареи (от 10% до 20%).

Здесь следует отметить, что литий-железо-фосфатные силовые батареи, производимые разными заводами, могут иметь некоторые различия в различных эксплуатационных параметрах; кроме того, не учитываются некоторые характеристики батареи, такие как внутреннее сопротивление батареи, скорость саморазряда, температура заряда и разряда и т. д.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи имеют большие различия в емкости и могут быть разделены на три категории: малая емкость составляет менее доли миллиампер в час, средняя емкость достигает десятков миллиампер в час, а большая емкость составляет более ста миллиампер в час. Есть некоторые различия в одних и тех же параметрах для разных типов батарей.

Переразряд до испытания нулевого напряжения:

Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея STL18650 (1100 мАч) использовалась для испытания на чрезмерную разрядку до нулевого напряжения. Условия тестирования: Аккумулятор STL 18650 емкостью 1100 мАч был полностью заряжен со скоростью зарядки 0,5 ° C, а затем разряжен со скоростью разряда 1,0 ° C до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигло 0 ° C, затем разделите аккумуляторы с напряжением 0 В на две группы: хранится 7 дней, остальные 30 дней; после истечения срока хранения заполните их со скоростью 0,5 C, а затем разрядите с 1,0 C. Наконец, сравните и найдите различия между периодами хранения при нулевом напряжении.

Результат теста - батарея не имеет утечки после 7 дней хранения при нулевом напряжении, и производительность хорошая, емкость 100%; после 30 дней хранения протечек нет, производительность хорошая, емкость 98%; после 30 дней хранения аккумулятор дополнительно заряжается и разряжается 3 раза. Емкость восстановлена 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 будет протекать или повреждена. Это характеристика, которой нет у других типов литий-ионных аккумуляторов.

Преимущества литий-железо-фосфатной батареи

1. Повышение уровня безопасности

Связь PO в кристалле фосфата лития-железа является стабильной и трудноразлагаемой, она не разрушается и не нагревается, как оксид лития-кобальта, и не образует сильное окисляющее вещество даже при высокой температуре или перезарядке, поэтому она обладает хорошими характеристиками безопасности. Сообщалось, что во время реальной операции было обнаружено, что небольшая часть образца имеет явление горения при иглоукалывании или испытании на короткое замыкание, но не произошло никакого взрыва. Во время эксперимента с избыточной зарядкой, когда зарядка была произведена при высоком напряжении, которое в несколько раз превышало напряжение саморазряда, было обнаружено, что явление взрыва все еще имело место. Тем не менее, его характеристики безопасности при перезарядке были значительно улучшены по сравнению с обычной литиево-кобальтоксидной батареей с жидким электролитом.

2 . улучшение срока службы

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

Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов с длительным сроком службы составляет около 300 циклов, а максимальный - 500 раз. Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея имеет срок службы более 2000 циклов, а стандартная зарядка (5 часов) может быть использована до 2000 раз. Цикл свинцово-кислотной батареи того же качества - «новый полугодовой, старый полугодовой, более полугода после обслуживания», до 1 ~ 1,5 года, в то время как литий-железо-фосфатный аккумулятор используется в тех же условиях, теоретический срок службы достигнет 7 ~ 8 лет. В целом соотношение производительности и цены теоретически в четыре раза больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Сильноточный разряд можно быстро заряжать и разряжать сильным током 2С. Под специальным зарядным устройством аккумулятор может быть полностью заряжен за 40 минут при зарядке 1,5С, а пусковой ток может достигать 2С, но свинцово-кислотный аккумулятор такой производительности не имеет.

3 . высокая температура

Пиковая температура фосфата лития-железа может достигать 350 ° C-500 ° C, в то время как манганат лития и оксид лития-кобальта составляют всего около 200 ° C.С широким диапазоном рабочих температур (-20 ° C - 75 ° C), высокой термостойкостью, литий-железо пик электрического нагрева фосфата достигает 350 ° C -500 ° C, в то время как манганат лития и оксид лития-кобальта только около 200 ° C.

4 . большая емкость

Аккумуляторная батарея обычно работает при условии, что она часто полностью заряжена, но без перезарядки ее емкость быстро становится ниже номинальной. Это явление называется эффектом памяти. Никель-металлогидридные и никель-кадмиевые батареи обладают эффектом памяти, но не литий-железо-фосфатные батареи. Независимо от того, в каком состоянии находится аккумулятор, его можно использовать во время зарядки, а заряжать не только после полной разрядки.

6 . легкий вес

Объем литий-железо-фосфатной батареи той же емкости составляет 2/3 объема свинцово-кислотной батареи, а вес - 1/3 свинцово-кислотной батареи.

7 . экологически чистый

Литий-железо-фосфатный аккумулятор обычно считается свободным от тяжелых металлов и редких металлов (для никель-металлгидридных аккумуляторов требуются редкие металлы), нетоксичным (сертифицирован SGS), экологически чистым, соответствует европейским нормам RoHS - это абсолютно зеленый сертификат аккумулятора. . Таким образом, промышленность отдает предпочтение литий-ионным батареям из соображений защиты окружающей среды. Таким образом, аккумулятор был включен в национальный план развития высоких технологий «863» в период «пятнадцатого национального конгресса» и стал ключевым национальным проектом поддержки и поощрения. Со вступлением Китая в ВТО объем экспорта электрических велосипедов в Китае будет быстро расти, и электрические велосипеды, поступающие в Европу и Америку, должны были быть оснащены экологически чистыми батареями.

Однако некоторые эксперты заявили, что загрязнение окружающей среды, вызванное свинцово-кислотными аккумуляторами, в основном происходит в процессе производства и переработки на предприятиях. Точно так же литий-ионные батареи относятся к новой энергетической отрасли, но они не могут избежать проблемы загрязнения тяжелыми металлами. Свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, хром и т. Д. Могут попадать в пыль и воду во время обработки металлических материалов. Сама батарея представляет собой химическое вещество, поэтому может быть два вида загрязнения: один - это промышленный осадок на выходе во время производственного процесса, другой - загрязнение батареи после лома.

Литий-железо-фосфатные батареи также имеют свои недостатки: например, плохие низкотемпературные характеристики, низкая плотность отводов материалов положительного электрода и емкость литий-железо-фосфатных батарей с одинаковой емкостью больше, чем у литий-ионных батарей, таких как литий-кобальтоксид, поэтому нет никакого преимущества в микро батареях. При использовании в силовой батарее литий-железо-фосфатная батарея, как и другие батареи, должна сталкиваться с проблемами целостности батареи.

Недостатки литий-железо-фосфатного аккумулятора

Наличие у материала потенциала для развития применения, помимо сосредоточения внимания на его преимуществах, более важно, имеет ли материал фундаментальные дефекты.

Литий-фосфат железа широко используется в качестве материала положительного электрода для литий-ионных батарей силового типа в Китае. Аналитики рынка правительства, научно-исследовательских институтов, предприятий и даже компаний, работающих с ценными бумагами, с оптимизмом смотрят на этот материал как на направление развития силовых литий-ионных аккумуляторов. Для такой ситуации есть две причины: во-первых, влияние американского направления исследований и разработок - американская компания Valence и компания A123 впервые использовали фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, не существует подготовки литий-манганатных материалов с хорошими характеристиками цикличности при высоких температурах и хранения, которые могут быть получены для литий-ионных батарей силового типа. Однако фосфат лития-железа также имеет фундаментальные недостатки, которые нельзя игнорировать. Основные моменты заключаются в следующем:

1. Во время процесса спекания при получении фосфата лития-железа оксид железа, вероятно, будет восстановлен до железа при высокой температуре. Железо может вызвать микрокороткое замыкание батареи, что является самым табуированным веществом в батарее. Это также основная причина, по которой Япония не использовала этот материал в качестве материала положительного электрода для литий-ионной батареи.

2. У литий-фосфата железа есть некоторые эксплуатационные дефекты, такие как низкая плотность утряски и плотность уплотнения, что приводит к низкой плотности энергии литий-ионных батарей. Низкотемпературные характеристики плохие, даже если после нанокристаллизации и углеродного покрытия эта проблема все еще не может быть решена. Доктор Дон Хиллебранд, директор Центра систем хранения энергии в Аргоннской национальной лаборатории, рассказал о низкотемпературных характеристиках литий-железо-фосфатных батарей. Он использовал ужасное, чтобы описать это. Результаты испытаний литий-железо-фосфатных батарей показывают, что литий-железо-фосфатные батареи нельзя использовать в электромобилях при низкой температуре (ниже 0 ° C). Хотя некоторые производители заявляют, что литий-железо-фосфатная батарея имеет хорошую степень сохранения емкости при низких температурах, это происходит в случае небольшого тока разряда и низкого напряжения отсечки разряда. В этой ситуации устройство просто не может работать.

3. Стоимость подготовки материала и стоимость изготовления батареи высоки, ресурс батареи низкий, а консистенция оставляет желать лучшего. Хотя нанокристаллизация и углеродное покрытие фосфата лития-железа улучшают электрохимические характеристики материала, они также вызывают другие проблемы, такие как снижение плотности энергии, увеличение стоимости синтеза, плохие характеристики обработки электродов и проблемы, связанные с экологией. Хотя химических элементов Li, Fe и P в фосфате лития-железа много, а стоимость невысока, стоимость полученного продукта фосфата лития-железа высока, даже если, за исключением затрат на предыдущие исследования и разработки, стоимость процесса материала и Стоимость подготовки батареи все равно повысит стоимость последней единицы накопленной энергии.

4. Плохая консистенция продукта. В настоящее время не существует отечественного завода по производству литий-железо-фосфатных материалов, который мог бы решить эту проблему. Что касается приготовления материала, реакция синтеза фосфата лития-железа представляет собой сложную гетерогенную реакцию, в которой присутствуют твердофазный фосфат, оксид железа и соль лития, предшественник углерода и фаза восстанавливающего газа. Трудно обеспечить постоянство реакции во время этого сложного реакционного процесса.

5. Вопросы интеллектуальной собственности. В настоящее время основной патент на фосфат лития-железа принадлежит Техасскому университету, а патент с углеродным покрытием применяется канадцами. Эти два основных патента невозможно обойти. Если стоимость патента будет рассчитана, стоимость продукта будет еще больше увеличена.

Кроме того, исходя из опыта исследований, разработки и производства литий-ионных аккумуляторов, Япония является первой страной коммерциализации литий-ионных аккумуляторов и всегда занимала рынок высококачественных литий-ионных аккумуляторов. Хотя Соединенные Штаты продвинулись вперед в некоторых фундаментальных исследованиях, до сих пор нет крупного производителя литий-ионных аккумуляторов. Поэтому для Японии более разумно модифицировать манганат лития в качестве материала положительного электрода для литий-ионной батареи силового типа. Даже в Соединенных Штатах фосфат лития, железа и манганат лития используются в качестве катодных материалов для литий-ионных батарей силового типа, и федеральное правительство также поддерживает разработку этих материалов. Основываясь на проблемах, описанных выше, связанных с фосфатом лития-железа, его трудно широко использовать в качестве материала положительного электрода для литий-ионной батареи силового типа в таких областях, как транспортные средства новой энергии. Если он сможет решить проблему высокотемпературного цикла и плохих характеристик хранения манганита лития, полагаясь на его преимущества низкой стоимости и высокой производительности, он будет иметь большой потенциал в применении силовых литий-ионных батарей.