Polno ime litij železofosfatne baterije je litij železofosfatna litij ionska baterija, to ime je predolgo, imenovano litij železofosfatna baterija. Ker je njegova zmogljivost še posebej primerna za električne aplikacije, je imenu dodana beseda "power", to je litij-železo-fosfatna napajalna baterija. Nekateri ga imenujejo tudi "litij-železna (LiFe) baterija."
Načelo delovanja
Baterija z litij-železovim fosfatom se nanaša na litij-ionsko baterijo, ki uporablja litij-železov fosfat kot material pozitivne elektrode. Glavni katodni materiali litij-ionskih baterij so litijev kobalt, litijev manganat, litijev nikelj, ternarni materiali, litijev železov fosfat in tako naprej. Litijev kobaltat je anodni material, ki se uporablja v večini litij-ionskih baterij.
pomen
Na trgu trgovanja s kovinami je kobalt (Co) najdražji in ima malo skladiščenja, nikelj (Ni) in mangan (Mn) sta cenejša, železo (Fe) pa ima več skladišč. Tudi cena anodnega materiala je v skladu s ceno teh kovin. Zato bi morale biti litij-ionske baterije iz katodnih materialov LiFePO4 precej poceni. Druga značilnost je, da ne onesnažuje okolja.
Kot baterija za ponovno polnjenje so zahteve: visoka zmogljivost, visoka izhodna napetost, dobra zmogljivost cikla polnjenja in praznjenja, stabilna izhodna napetost, visok tok polnjenja in praznjenja, elektrokemična stabilnost, varnost pri uporabi (ne bo povzročilo vžiga ali eksplozije zaradi nepravilnega delovanja kot so prekomerno polnjenje, prekomerno praznjenje in kratek stik), širok razpon delovne temperature, nestrupen ali manj strupen, ne onesnažuje okolja. Litij-železo-fosfatne baterije, ki uporabljajo LiFePO4 kot pozitivno elektrodo, so dobre pri teh zahtevah glede zmogljivosti, zlasti pri praznjenju z veliko hitrostjo praznjenja (praznjenje 5 ~ 10C), stabilni napetosti praznjenja, varnosti (brez izgorevanja, brez eksplozije), življenjski dobi (število ciklov), in brez onesnaževanja okolja, je najboljša, je trenutno najboljša visokotokovna izhodna baterija.
Zgradba in princip delovanja
LiFePO4 kot pozitivna elektroda baterije je z aluminijasto folijo povezana s pozitivno elektrodo baterije. Na sredini je polimerna diafragma, ki ločuje pozitivno elektrodo od negativne elektrode, vendar lahko litij ion Li prehaja skozi, elektron e- pa ne more. Na desni strani je negativna elektroda baterije sestavljena iz ogljika (grafita), ki je z bakreno folijo povezana z negativno elektrodo baterije. Med zgornjim in spodnjim koncem baterije je elektrolit baterije, baterija pa je zaprta s kovinsko lupino.
Ko je baterija LiFePO4 napolnjena, litij-ion Li v pozitivni elektrodi migrira na negativno elektrodo skozi polimerno diafragmo; Med postopkom praznjenja litij ion Li v negativni elektrodi migrira skozi diafragmo do pozitivne elektrode. Litij-ionske baterije so dobile ime, ker se litijevi ioni med polnjenjem in praznjenjem premikajo naprej in nazaj.
Glavna zmogljivost
Nazivna napetost baterije LiFePO4 je 3,2 V, napetost zaključnega polnjenja je 3,6 V, napetost praznjenja zaključnega pa 2.0V. Zaradi različne kakovosti in postopka materialov pozitivnih in negativnih elektrod ter materialov elektrolitov, ki jih uporabljajo različni proizvajalci, bo njihova učinkovitost nekoliko drugačna. Na primer, isti model (isti paket standardne baterije) ima veliko razliko v zmogljivosti baterije (10% do 20%).
Tu je treba opozoriti, da obstajajo nekatere razlike v parametrih delovanja litij-železo-fosfatnih baterij, ki jih proizvajajo različne tovarne; Poleg tega nekatere zmogljivosti baterije niso vključene, kot so notranji upor baterije, stopnja samopraznjenja, temperatura polnjenja in praznjenja.
Zmogljivost litij-železo-fosfatnih baterij je zelo različna in jih je mogoče razdeliti v tri kategorije: majhne desetinke do nekaj miliamperov, srednje velike desetine miliamperov in velike stotine miliamperov. Obstajajo tudi nekatere razlike v enakih parametrih različnih vrst baterij.
Preizkus prekomernega praznjenja na ničelno napetost:
Izveden je bil preskus praznjenja do ničelne napetosti litij-železo-fosfatne napajalne baterije STL18650(1100mAh). Preizkusni pogoji: Polnite 1100mAh STL18650 baterijo s hitrostjo polnjenja 0,5C in jo nato izpraznite s hitrostjo praznjenja 1,0C, dokler napetost baterije ni 0C. Nato se baterije, postavljene v 0V, razdelijo v dve skupini: ena skupina je shranjena 7 dni, druga skupina je shranjena 30 dni; Po poteku skladiščenja se napolni s stopnjo polnjenja 0,5C in nato izprazni z 1,0C. Nazadnje se primerja razlika med dvema obdobjema shranjevanja brez napetosti.
Rezultat preskusa je, da po 7 dneh shranjevanja brez napetosti baterija ne pušča, ima dobro delovanje in zmogljivost je 100 %; Po 30 dneh skladiščenja, brez puščanja, dobre zmogljivosti, zmogljivost 98%; Po 30 dneh skladiščenja se baterija napolni in izprazni še 3 cikle, zmogljivost pa se povrne na 100 %.
Ta preizkus kaže, da tudi če je bila litij-železo-fosfatna baterija izpraznjena (tudi do 0V) in shranjena za določen čas, baterija ne bo puščala in se poškodovala. To je funkcija, ki je druge vrste litij-ionskih baterij nimajo.
Prednost
1. Izboljšanje varnosti
Vezava PO v kristalu litijevega železovega fosfata je stabilna in jo je težko razgraditi, tudi pri visoki temperaturi ali prekomernem polnjenju se ne bo sesedla in segrela ali tvorila močnih oksidativnih snovi, kot je litijev kobaltov oksid, zato ima dobro varnost. Poročali so, da je bilo ugotovljeno, da je majhen del vzorca zgorel med dejanskim delovanjem igle ali poskusa kratkega stika, vendar ni prišlo do eksplozije, poskus prenapolnjenosti pa je uporabil visokonapetostni naboj, ki je močno presegel samopraznjenje napetosti večkrat, ugotovili pa so, da je še vedno počilo. Vendar pa je bila njegova varnost pred prekomernim polnjenjem močno izboljšana v primerjavi z običajnimi litij-kobalt-oksidnimi baterijami s tekočim elektrolitom.
2. Izboljšanje življenja
Litij železofosfatna baterija je litij ionska baterija, ki uporablja litij železov fosfat kot material pozitivne elektrode.
Življenjska doba svinčeno-kislinske baterije z dolgo življenjsko dobo je približno 300-kratna, največja pa 500-kratna, medtem ko ima litij-železo-fosfatna napajalna baterija več kot 2000-kratno življenjsko dobo in standardno polnjenje ({{5} }urna postavka) lahko uporabite 2000-krat. Svinčeno-kislinska baterija enake kakovosti je "nova pol leta, stara pol leta, vzdrževanje in vzdrževanje še pol leta", največ 1 do 1,5 leta, litij-železo-fosfatne baterije pa se uporabljajo pod enakimi pogoji, teoretično življenjska doba bo dosegla 7 do 8 let. Na splošno je razmerje med zmogljivostjo in ceno teoretično več kot 4-krat večje od svinčenih baterij. Visoko tokovno praznjenje je lahko visokotokovno 2C hitro polnjenje in praznjenje, pod posebnim polnilnikom se lahko polnjenje 1,5C popolnoma napolni v 40 minutah, začetni tok do 2C, svinčeno-kislinske baterije pa nimajo te zmogljivosti.
3. Dobra zmogljivost pri visokih temperaturah
Najvišja vrednost litijevega železovega fosfata lahko doseže 350 stopinj -500 stopinj, medtem ko sta litijev manganat in litijev kobaltat le približno 200 stopinj. Razpon delovne temperature je širok (-20C-- 75C), električni vrh litijevega železovega fosfata pa lahko doseže 350 stopinj -500 stopinj, medtem ko sta litijeva manganova kislina in litijeva kobaltova kislina samo približno 200 stopinj.
4. Velika zmogljivost
Baterije pogosto delujejo pod pogojem, da so polne in ne izpraznjene, kapaciteta pa bo hitro nižja od nazivne vrednosti, kar imenujemo spominski učinek. Tako kot nikelj-metal-hidridne imajo tudi nikelj-kadmijeve baterije pomnilnik, litij-železo-fosfatne baterije pa tega pojava nimajo, ne glede na to, v kakšnem stanju je baterija, se lahko uporablja s polnjenjem, brez predhodnega vstavljanja in nato polnjenja.
6. Majhna teža
Prostornina in teža litij železofosfatne baterije z enako kapaciteto je 2/3 prostornine in 1/3 teže svinčeve baterije.
7. Varstvo okolja
Za litij-železo-fosfatne baterije se na splošno velja, da ne vsebujejo težkih kovin in redkih kovin (nikelj-metal-hidridne baterije potrebujejo redke kovine), niso strupene (certifikat SGS), ne onesnažujejo okolja, v skladu z evropskimi predpisi RoHS, za absolutno zeleno certifikat baterije. Zato je razlog, zakaj so litijeve baterije optimistične v industriji, predvsem vidiki varstva okolja, zato je bila baterija vključena v "863" nacionalni visokotehnološki razvojni načrt v obdobju "desetega petletnega načrta", in je postal nacionalni ključni projekt za podporo in spodbujanje razvoja. S pristopom Kitajske k WTO se bo obseg izvoza kitajskih električnih koles hitro povečal, električna kolesa, ki vstopajo v Evropo in Združene države, pa morajo biti opremljena z baterijami, ki ne onesnažujejo okolja.
Vendar pa nekateri strokovnjaki pravijo, da se onesnaževanje okolja, ki ga povzročajo svinčeno-kislinske baterije, pojavlja predvsem v nestandardnem proizvodnem procesu in procesu recikliranja podjetij. Podobno so litijeve baterije dobra za novo energetsko industrijo, vendar se ne morejo izogniti problemu onesnaževanja s težkimi kovinami. Svinec, arzen, kadmij, živo srebro, krom itd. pri obdelavi kovinskih materialov se lahko sproščajo v prah in vodo. Sama baterija je kemična snov, zato je možno proizvesti dve vrsti onesnaženja: ena je onesnaženje s procesnimi odpadki v proizvodnem projektu; Drugi je onesnaženje baterije po razrezu.
Litij-železo-fosfatne baterije imajo tudi svoje pomanjkljivosti: kot so slaba zmogljivost pri nizkih temperaturah, majhna pozitivna gostota vibracij materiala, prostornina litij-železo-fosfatnih baterij z enako zmogljivostjo je večja od litij-ionskih baterij, kot je litij-kobaltova kislina, zato nima prednost v smislu mikro baterij. Ko se uporabljajo v električnih baterijah, se morajo litij-železo-fosfatne baterije, tako kot druge baterije, soočiti s težavami s konsistenco baterije.
Pomanjkljivost
Ali ima material potencial za razvoj aplikacij, je poleg osredotočanja na njegove prednosti bolj kritično, ali ima material temeljne napake.
Kitajska zdaj na splošno izbere litij-železov fosfat kot material pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterij, vlada, znanstvenoraziskovalne ustanove, podjetja in celo družbe za vrednostne papirje ter drugi tržni analitiki so optimistični glede tega materiala, kot močnega razvoja litij-ionskih baterij smer. Razlogi so v glavnem naslednji: Prvič, pod vplivom raziskovalne in razvojne smeri Združenih držav, sta podjetji Valence in A123 v Združenih državah prvi uporabili litijev železov fosfat kot material pozitivne elektrode litij-ionskih baterij. Drugič, ni bilo domače priprave materialov litijevega manganata z dobrimi visokotemperaturnimi cikli in lastnostmi shranjevanja za močne litij-ionske baterije. Vendar pa ima litijev železov fosfat tudi temeljne napake, ki jih ni mogoče prezreti in jih lahko povzamemo na naslednji način:
1. V procesu sintranja priprave litijevega železovega fosfata se železov oksid lahko reducira v elementarno železo v redukcijski atmosferi pri visoki temperaturi. Elementarno železo lahko povzroči mikro kratek stik baterije in je najbolj tabu snov v bateriji. To je tudi glavni razlog, zakaj Japonska tega materiala ni uporabila kot material pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterij.
2. Litijev železov fosfat ima nekaj pomanjkljivosti v delovanju, kot sta gostota vibracij in gostota zbijanja je zelo nizka, kar ima za posledico nizko energijsko gostoto litij-ionskih baterij. Zmogljivost pri nizkih temperaturah je slaba, niti nano in ogljikova prevleka nista rešila tega problema. Dr. Don Hillebrand, direktor Centra za sisteme za shranjevanje energije pri Nacionalnem laboratoriju Argonne v Združenih državah Amerike, je, ko je govoril o nizkotemperaturni zmogljivosti litij-železo-fosfatnih baterij, uporabil izraz grozljivo, da bi opisal rezultate testiranja litij-železo-fosfatnih litij-ionskih baterij, ki so jih pokazali. da litij-železo-fosfatne baterije pri nizkih temperaturah (pod 0 stopinj C) ne morejo omogočiti vožnje električnih vozil. Čeprav nekateri proizvajalci trdijo, da je stopnja ohranjanja zmogljivosti litij-železo-fosfatnih baterij dobra pri nizkih temperaturah, je to v primeru majhnega toka praznjenja in nizke mejne napetosti praznjenja. V tem primeru naprava sploh ne bo začela delovati.
3. Stroški priprave materiala in stroški izdelave baterije so višji, izkoristek baterije je nizek in konsistenca je slaba. Nanometrična in ogljikova prevleka litijevega železovega fosfata izboljšata elektrokemično delovanje materiala, a prinašata tudi druge težave, kot so zmanjšana gostota energije, povečani stroški sinteze, slaba zmogljivost obdelave elektrod in stroge okoljske zahteve. Čeprav so kemični elementi Li, Fe in P v litijevem železovem fosfatu zelo bogati in so stroški nizki, stroški pripravljenega izdelka litijevega železovega fosfata niso nizki, tudi če odstranimo zgodnje stroške raziskav in razvoja, stroški postopka material in visoki stroški priprave baterije bodo povzročili višje stroške shranjevanja končne enote energije.
4. Slaba konsistenca izdelka. Trenutno na Kitajskem ni tovarne litijevega železovega fosfatnega materiala, ki bi rešila ta problem. Z vidika priprave materiala je sinteza litijevega železovega fosfata kompleksna večfazna reakcija s fosfatom v trdni fazi, železovim oksidom in litijevo soljo ter prekurzorjem ogljika in redukcijsko plinsko fazo. V tem kompleksnem reakcijskem procesu je težko zagotoviti doslednost reakcije.
5. Vprašanja intelektualne lastnine. Trenutno je osnovni patent za litijev železov fosfat v lasti Univerze v Teksasu, medtem ko patent za prevleko iz ogljika uporabljajo Kanadčani. Teh dveh osnovnih patentov ni mogoče zaobiti, če se izračunajo stroški licenčnine, se bodo stroški izdelka še povečali.
Poleg tega je po izkušnjah raziskav in razvoja ter proizvodnje litij-ionskih baterij Japonska prva država, ki je komercializirala litij-ionske baterije, in je vedno zasedala trg vrhunskih litij-ionskih baterij. Čeprav ZDA vodijo v nekaterih osnovnih raziskavah, zaenkrat še nimajo velikega proizvajalca litij-ionskih baterij. Zato je bolj smiselno, da Japonska izbere modificiran litijev manganat kot material pozitivne elektrode za dinamične litij-ionske baterije. Tudi v Združenih državah je uporaba litijevega železovega fosfata in litijevega manganata kot moči proizvajalcev katodnih materialov za litij-ionske baterije enakomerno razdeljena, zvezna vlada pa podpira tudi razvoj obeh sistemov. Glede na zgornje težave, ki obstajajo v litijevem železovem fosfatu, ga je težko široko uporabljati kot material pozitivne elektrode za napajanje litij-ionskih baterij na področjih, kot so vozila z novo energijo. Če lahko rešimo problem slabega visokotemperaturnega kolesarjenja in zmogljivosti shranjevanja litijevega manganata z njegovimi prednostmi nizkih stroškov in visoke zmogljivosti, bo imel velik potencial pri uporabi dinamičnih litij-ionskih baterij.
