¿Cuáles son las seis ventajas y las cinco desventajas de 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 fosfato de hierro y litio. Dado que su rendimiento es particularmente adecuado para la aplicación de energía, se agregó la palabra "energía" en el nombre, a saber, batería de energía de fosfato de hierro y litio. También se le llama batería de energía de "hierro de litio (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 ánodo 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. En la actualidad, 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 es el más caro y tiene menos almacenamiento, el níquel y el manganeso son más baratos y el hierro 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 bastante económicas. 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 papel de aluminio al electrodo positivo de la batería. En el medio hay una membrana de polímero, que separa el electrodo positivo del negativo. Pero el ion de litio Li puede atravesarlo, mientras que el electrón e no puede. 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 la descarga, el litio Li en el electrodo negativo migra al electrodo positivo a través de la membrana. Las baterías de iones de litio reciben su nombre por la forma en que se mueven 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 electrodos positivos y negativos y los materiales de electrolitos utilizados por varios fabricantes, habrá algunas diferencias en su rendimiento. 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 litio y fosfato de hierro varían ampliamente en capacidad y se pueden dividir en tres categorías: pequeñas que van desde unas pocas décimas hasta unas pocas 2/5000 milímetros, las medianas que van desde unas pocas decenas de 2/5000 milímetros y las grandes que van desde unos pocos cientos de milímetros. 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, cárguelo 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.

Los resultados de la prueba muestran que después de 7 días de almacenamiento de voltaje cero, la batería no tiene fugas, tiene un buen rendimiento y está al 100% de su capacidad. 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.

Ventaja

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 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 antiguo, mantenimiento y mantenimiento de medio año", el máximo es 1 ~ 1,5 años, y la batería de fosfato de hierro y litio en las mismas condiciones, la vida teórica alcanzará 7 ~ 8 años. En general, el precio de rendimiento es más de 4 veces el de la batería de plomo-ácido teórica. 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 llenar la batería en 40 minutos, con una corriente de arranque de hasta 2C, pero las baterías de plomo-ácido no tienen este rendimiento.

3. Buen rendimiento a altas temperaturas

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

Al estudiar la batería recargable a menudo se llena con no apagar en las condiciones de trabajo, la capacidad rápidamente es menor que los valores de capacidad nominal, este fenómeno se llama efecto de memoria. Las baterías de níquel-metal y níquel-cadmio tienen memoria, mientras que las baterías de fosfato de hierro y litio no tienen tal fenómeno. No importa en qué estado se encuentre la batería, se puede cargar y utilizar en cualquier momento, sin tener que apagarla antes de recargarla.

5. 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.

6, la protección del medio ambiente

La batería de fosfato de hierro y litio generalmente se considera libre de metales pesados y metales raros (las baterías de metal de níquel necesitan metales raros), no tóxica (certificación SGS), libre de contaminación, de acuerdo con las regulaciones europeas ROHS, para el medio ambiente ecológico absoluto. certificado de proteccion de bateria. Por lo tanto, la industria favorece la batería de litio, 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" y se convirtió en un soporte clave nacional y Fomentar el proyecto de desarrollo. Con la adhesión de China a la OMC, las exportaciones chinas de bicicletas eléctricas aumentarán rápidamente, mientras que las bicicletas eléctricas que ingresan a Estados Unidos y Europa deben estar equipadas con baterías libres de contaminación.

Pero algunos expertos dicen que la contaminación ambiental causada por las baterías de plomo-ácido se produce principalmente en el proceso de producción y reciclaje no estándar. De manera similar, las baterías de litio son buenas para la industria de las nuevas energías, pero no son inmunes a 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. En segundo lugar, la contaminación de la batería después del desguace.

La batería de fosfato de hierro y litio también tiene sus desventajas: por ejemplo, el rendimiento a baja temperatura es deficiente, el material del electrodo positivo vibra, la densidad 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 y litio, por lo que no tiene ninguna 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

Si un material tiene potencial para el 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. 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 litio con ácido manganeso con buenos ciclos de 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 combustión de la preparación de fosfato de hierro y litio, existe la posibilidad de que el óxido de hierro se reduzca a hierro elemental bajo la atmósfera reductora de alta temperatura. El hierro elemental es la sustancia más tabú en la batería porque puede causar microcortocircuitos 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 deficiente, incluso si la química NANO y el recubrimiento de carbono no resuelven el 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 simplemente no funcionará.

3. El costo de preparación del material es más alto que el costo de fabricación de la batería, y el rendimiento de la batería es bajo con poca consistencia. Aunque la escala MANO y el recubrimiento de carbono de fosfato de hierro y litio mejoran las propiedades electroquímicas del material, también trae 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 de producción del producto de fosfato de hierro y litio no es bajo. Incluso si se elimina el costo inicial de investigación y desarrollo, el costo del proceso del material más el costo de preparar la batería hará que el costo de almacenamiento de energía unitario 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 compleja heterogénea, 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 asegurar la consistencia de la reacción.

5. Derechos 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 básicas, y si las regalías se incluyen en el costo, el costo del producto aumentará aún más.

Además, a partir de la experiencia en investigación, desarrollo y producción de baterías de iones de litio, Japón es el primer país comercializado 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 litio ácido de manganeso 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 litio ácido de manganeso como materiales de ánodo para baterías de iones de litio se dividen 50-50, y el gobierno federal apoya 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 alta temperatura y el rendimiento de almacenamiento deficiente del litio ácido de manganeso, 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.

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