¿Es necesario activar realmente las baterías de fosfato de hierro y litio?

El nombre completo de la batería de fosfato de hierro y litio es batería de iones de litio de fosfato de hierro y litio, que es demasiado larga, llamada batería de fosfato de litio y hierro para abreviar. Dado que su rendimiento es particularmente adecuado para aplicaciones de energía, se agregó la palabra "energía" al nombre, es decir, batería de energía de fosfato de hierro y litio. También se le llama "batería de litio-hierro (LiFe)".

El principio de funcionamiento de

La batería de fosfato de hierro y litio se refiere a la batería de iones de litio con fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo. Los materiales del cátodo de la batería de iones de litio incluyen principalmente ácido de cobalto de litio, ácido de manganeso y litio, ácido de níquel y litio, materiales ternarios, fosfato de hierro y litio, etc. El óxido de cobalto de litio es el material de ánodo utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio.

significado

En el mercado de los metales, el cobalto (Co) es el más caro y tiene menos almacenamiento, el níquel (Ni) y el manganeso (Mn) son más baratos y el hierro (Fe) tiene más. Los precios de los materiales anódicos también están en línea con los de estos metales. Por lo tanto, las baterías de iones de litio fabricadas con materiales de ánodo LiFePO4 deberían ser relativamente baratas. Otra característica de la misma es que no contamina el medio ambiente.

Como los requisitos de las baterías recargables son: alta capacidad, alto voltaje de salida, buen rendimiento del ciclo de carga y descarga, voltaje de salida estable, gran carga y descarga de corriente, estabilidad electroquímica, uso de seguridad (no se cargó, descargó y cortocircuito causado por funcionamiento inadecuado, como la combustión o explosión), amplio rango de temperatura de trabajo, no tóxico o menos venenoso, sin contaminación para el medio ambiente. La adopción de LiFePO4 como ánodo de baterías de fosfato de hierro y litio cumple con estos requisitos de rendimiento, particularmente en descargas de alta velocidad de descarga (descarga de 5 ~ 10 c), voltaje de descarga estable, seguridad, no quema, no explosión y vida (ciclos), en el medio ambiente libre de contaminación, es el mejor, es actualmente la mejor batería de gran potencia de salida de corriente.

Estructura y principio de funcionamiento

El LiFePO4, como electrodo positivo de la batería, está conectado con el electrodo positivo mediante papel de aluminio. En el medio hay una membrana de polímero, que separa el electrodo positivo del negativo. Sin embargo, el ion de litio Li puede atravesarlo, mientras que el electrón e- no. Entre los extremos superior e inferior de la batería se encuentra el electrolito de la batería, que está sellado por una carcasa metálica.

Cuando se carga la batería LiFePO4, el litio Li en el electrodo positivo migra al electrodo negativo a través de la membrana de polímero. Durante el proceso de descarga, el litio Li en el electrodo negativo migra al electrodo positivo a través de la membrana. Las baterías de iones de litio se denominan así por el movimiento de iones de litio hacia adelante y hacia atrás entre la carga y la descarga.

La actuación principal

El voltaje nominal de la batería LiFePO4 es de 3.2v, el voltaje de carga de terminación es de 3.6v y el voltaje de descarga de terminación es de 2.0v. Debido a la diferente calidad y proceso de los materiales de ánodo y cátodo y los materiales de electrolitos utilizados por varios fabricantes, habrá algunas diferencias en su desempeño. Por ejemplo, la capacidad de la batería del mismo tipo (batería estándar en el mismo paquete) varía mucho (10% ~ 20%).

Cabe señalar aquí que los parámetros de rendimiento de las baterías de energía de fosfato de hierro y litio producidas por diferentes fábricas tendrán algunas diferencias. Además, algunas propiedades de la batería no están incluidas, como la resistencia interna de la batería, la tasa de autodescarga, la temperatura de carga y descarga.

Las baterías de energía de fosfato de hierro y litio varían ampliamente en capacidad y se pueden dividir en tres categorías: las pequeñas que van desde unas pocas décimas hasta unos pocos miliamperios, las medianas que van desde unas pocas decenas de miliamperios y las grandes que van desde unos pocos cientos de miliamperios. . También existen algunas diferencias en los mismos parámetros para diferentes tipos de baterías.

Sobre descarga a prueba de voltaje cero:

La batería de fosfato de hierro y litio STL18650 (1100 mAh) se utilizó para la prueba desde la descarga hasta el voltaje cero. Condiciones de prueba: la batería STL18650 de 1100 mAh se cargó completamente con una tasa de carga de 0.5c y luego se descargó a un voltaje de batería de 0C con una tasa de descarga de 1.0c. Luego coloque la batería de 0 V en dos grupos: un grupo durante 7 días, otro grupo durante 30 días; Cuando el almacenamiento expire, llénelo con una tasa de carga de 0.5c y descárguelo con 1.0c. Finalmente, se compararon las diferencias entre los dos períodos de almacenamiento de ZVS.

El resultado de la prueba es que después de 7 días de almacenamiento de voltaje cero, la batería no tiene fugas, tiene un buen rendimiento y la capacidad es del 100%. Después de 30 días, sin fugas, buen rendimiento, 98% de capacidad; Después de 30 días de almacenamiento, la batería se cargó y descargó durante 3 ciclos más y la capacidad se restauró al 100%.

Esta prueba muestra que la batería de fosfato de hierro y litio no tiene fugas ni se daña incluso si se descarga (incluso a 0 V) y se almacena durante un tiempo determinado. Esta es una característica que no tienen otros tipos de baterías de iones de litio.

Ventajas de las baterías de fosfato de hierro y litio

1. Mejora del desempeño en materia de seguridad

El enlace po en el cristal de fosfato de hierro y litio es estable y difícil de descomponer. Incluso a alta temperatura o con sobrecarga, no generará calor ni formará sustancias oxidantes fuertes como el óxido de litio y cobalto, por lo que tiene buena seguridad. Algunos informes señalaron que en el funcionamiento real de la acupuntura o el experimento de cortocircuito, se encontró que una pequeña parte de las muestras tenían un fenómeno de combustión, pero no hubo un evento de explosión. Sin embargo, en el experimento de sobrecarga, se utilizó una carga de alto voltaje que era varias veces mayor que su propio voltaje de descarga, y todavía se encontró el fenómeno de explosión. Sin embargo, su seguridad de sobrecarga se ha mejorado mucho en comparación con la batería de cobalto de litio de electrolito líquido ordinario.

2. Mejora de la esperanza de vida

La batería de fosfato de hierro y litio se refiere a una batería de iones de litio con fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo.

El ciclo de vida de la batería de plomo-ácido de larga duración es de 300 veces más o menos, el más alto es de 500 veces, y el ciclo de vida de la batería de fosfato de hierro y litio de más de 2000 veces, el uso de carga estándar (tasa de 5 horas), puede alcanzar 2000 veces. La batería de plomo-ácido de la misma calidad es "medio año nuevo, medio año viejo, medio año de mantenimiento y mantenimiento", la mayor parte es 1 ~ 1,5 años, y la batería de fosfato de hierro y litio en las mismas condiciones, la vida teórica llegará a 7 ~ 8 años. En general, el precio de rendimiento es más de cuatro veces mayor que el de la batería teórica de plomo-ácido. La descarga de corriente grande puede ser una carga y descarga rápida de 2C de corriente grande, en el cargador especial, la carga de 1.5C puede estar llena de 40 minutos, la corriente de inicio hasta 2C, mientras que la batería de plomo-ácido no tiene este rendimiento.

3, el rendimiento a alta temperatura es bueno

El fosfato de litio y hierro puede alcanzar 350 ℃ a 500 ℃ y el pico eléctrico y el litio ácido de manganeso y litio ácido de cobalto sólo en aproximadamente 200 ℃. Amplio rango de temperatura de funcionamiento (20 c - 75 - c), tiene propiedades resistentes a altas temperaturas del fosfato de hierro y litio que puede alcanzar 350 ℃ a 500 ℃ de calentamiento pico de cobalto de litio y ácido y ácido de litio y manganeso solo a aproximadamente 200 ℃.

4. Gran capacidad

Una batería recargable que funciona a plena capacidad constante puede caer rápidamente por debajo de la capacidad nominal, un fenómeno llamado efecto memoria. Por ejemplo, las baterías de níquel-hidruro metálico y de níquel-cadmio tienen memoria, mientras que las baterías de fosfato de hierro y litio no tienen tal fenómeno. No importa en qué estado se encuentren las baterías, se pueden llenar y utilizar en cualquier momento, sin tener que apagarlas antes de recargarlas.

6. Peso ligero

Las baterías de fosfato de hierro y litio del mismo tamaño tienen dos tercios del tamaño y un tercio del peso de las baterías de plomo-ácido.

7, la protección del medio ambiente

Las baterías de fosfato de hierro y litio generalmente se consideran libres de metales pesados y metales raros (las baterías de hidruro metálico de níquel necesitan metales raros), no tóxicas (certificación SGS), libres de contaminación, de acuerdo con las regulaciones europeas RoHS, para el verde absoluto Certificado de batería de protección ambiental. Por lo tanto, la batería de litio es favorecida por la industria, principalmente debido a consideraciones ambientales, por lo que la batería se incluyó en el plan nacional de desarrollo de alta tecnología "863" durante el período del "décimo plan quinquenal", que se ha convertido en el soporte clave nacional. y fomentar proyectos de desarrollo. Con la adhesión de China a la OMC, las exportaciones chinas de bicicletas eléctricas aumentarán rápidamente, y Estados Unidos y Europa han cumplido los requisitos de las bicicletas eléctricas con baterías libres de contaminación.

Pero algunos expertos dijeron que la contaminación ambiental causada por las baterías de plomo-ácido se produjo principalmente en el proceso de producción no estándar y el proceso de reciclaje. Del mismo modo, las baterías de litio pertenecen a la nueva industria energética es buena, pero no puede evitar el problema de la contaminación por metales pesados. Los materiales metálicos como plomo, arsénico, cadmio, mercurio y cromo pueden liberarse al polvo y al agua. La batería en sí es una sustancia química, por lo que puede haber dos tipos de contaminación: una es la contaminación por desechos del proceso de producción; En segundo lugar, la contaminación de la batería después del desguace.

La batería de fosfato de hierro y litio también tiene sus desventajas: como el rendimiento a baja temperatura es deficiente, la densidad del material del electrodo positivo es pequeña, el volumen de la batería de fosfato de hierro y litio de igual capacidad es mayor que la batería de iones de litio como el ácido de cobalto de litio, por lo que no tiene una ventaja en la microbatería. Cuando se utilizan en baterías eléctricas, las baterías de fosfato de hierro y litio, al igual que otras baterías, deben enfrentar el problema de la consistencia de la batería.

Desventajas de las baterías de fosfato de hierro y litio

Si un material tiene el potencial de desarrollo de aplicaciones, además de centrarse en sus ventajas, es más crítico si el material tiene defectos fundamentales.

En la actualidad, el fosfato de hierro y litio se usa ampliamente como material de electrodo positivo para baterías dinámicas de iones de litio en China. Los analistas de mercado del gobierno, instituciones de investigación científica, empresas e incluso compañías de valores son optimistas acerca de este material y lo consideran la dirección de desarrollo de las baterías dinámicas de iones de litio. Las razones de esto son las siguientes: la primera es la influencia de la dirección de investigación y desarrollo de los Estados Unidos. Valence y A123 de los Estados Unidos fueron los primeros en utilizar fosfato de hierro y litio como material de cátodo para baterías de iones de litio. En segundo lugar, en China no se han preparado materiales de manganato de litio con buena circulación a alta temperatura y rendimiento de almacenamiento para baterías dinámicas de iones de litio. Sin embargo, el fosfato de hierro y litio también tiene defectos fundamentales que no se pueden ignorar, que se pueden resumir de la siguiente manera:

1. En el proceso de sinterización de la preparación de fosfato de hierro y litio, existe la posibilidad de que el óxido de hierro pueda reducirse al hierro elemental bajo la atmósfera reductora de alta temperatura. El hierro elemental es la sustancia más tabú de la batería porque puede provocar el microcortocircuito de la batería. Esta es también la razón principal por la que Japón no ha utilizado este material como material de electrodo positivo para baterías dinámicas de iones de litio.

2. El fosfato de hierro y litio tiene algunos defectos de rendimiento, como baja densidad de vibración y compactación, lo que resulta en una baja densidad de energía de la batería de iones de litio. El rendimiento a baja temperatura es pobre, incluso si el recubrimiento de nano y carbono no resolvió este problema. Laboratorio nacional de Argonne, Dr. DonHillebrand, director del centro para el sistema de almacenamiento de energía cuando se trata del rendimiento de la batería de fosfato de hierro y litio a baja temperatura con terrible descripción, su tipo de batería de iones de litio de fosfato de hierro y litio muestran que los resultados de la prueba muestran que el litio La batería de fosfato de hierro a baja temperatura (por debajo de 0 ℃) no pudo hacer que el automóvil eléctrico. Aunque algunos fabricantes afirman que la tasa de retención de capacidad de la batería de fosfato de hierro y litio es buena a baja temperatura, es el caso de baja corriente de descarga y bajo voltaje de corte. En este caso, el dispositivo no se iniciará en absoluto.

3. El costo de producción de los materiales es más alto que el de las baterías, con bajo rendimiento y poca consistencia. Aunque el nanómetro y el recubrimiento de carbono del fosfato de hierro y litio mejoran las propiedades electroquímicas de los materiales, también traen otros problemas, como la reducción de la densidad de energía, el aumento del costo de síntesis, el bajo rendimiento del procesamiento de electrodos y los estrictos requisitos ambientales. Aunque los elementos químicos Li, Fe y P en el fosfato de hierro y litio son abundantes y el costo es bajo, el costo del producto de fosfato de hierro y litio preparado no es bajo. Incluso si se elimina el costo de investigación y desarrollo de la etapa inicial, el costo del proceso del material y el alto costo de preparar las baterías harán que el costo de almacenamiento de energía de la unidad final sea más alto.

4. Mala consistencia del producto. En la actualidad, no existe una fábrica de material de fosfato de hierro y litio en China que pueda resolver este problema. Desde el punto de vista de la preparación del material, la reacción de síntesis de fosfato de hierro y litio es una reacción multifase compleja, que incluye fosfatos en fase sólida, óxidos de hierro y sales de litio, más precursor de carbono y fase gaseosa reductora. En este complejo proceso de reacción, es difícil garantizar la consistencia de la reacción.

5. Problemas de propiedad intelectual. En la actualidad, la patente básica del fosfato de hierro y litio es propiedad de la universidad de Texas, mientras que la patente de recubrimiento de carbono la aplica el canadiense. No hay forma de evitar estas dos patentes fundamentales, y si las regalías se incluyen en el costo, el costo del producto aumentará aún más.

Además, a partir de la investigación, el desarrollo y la producción de la experiencia en baterías de iones de litio, Japón es el primer país comercial de baterías de iones de litio y ha estado ocupando el mercado de baterías de iones de litio de alta gama. Estados Unidos, aunque lidera algunas investigaciones básicas, hasta ahora no ha tenido un gran fabricante de baterías de iones de litio. Por lo tanto, es más razonable que Japón elija manganato de litio modificado como material de electrodo positivo para baterías dinámicas de iones de litio. Incluso en los Estados Unidos, los fabricantes de fosfato de hierro y litio y manganato de litio como materiales de ánodo para baterías de iones de litio se dividen uniformemente, y el gobierno federal apoya el desarrollo de ambos sistemas. En vista de los problemas anteriores que existen en el fosfato de hierro y litio, es difícil de usar ampliamente como material de electrodo positivo para baterías de iones de litio dinámicas en vehículos de nueva energía y otros campos. Si puede resolver el problema de los ciclos de baja temperatura y el rendimiento de almacenamiento de manganato de litio, tendrá un gran potencial en la aplicación de baterías dinámicas de iones de litio debido a sus ventajas de bajo costo y alto rendimiento de aumento.

La página contiene el contenido de la traducción automática.