¿Conoce las siete ventajas y 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 fosfato de hierro y litio. El nombre es muy largo. La batería de fosfato de hierro y litio se abrevia como batería de fosfato de hierro y litio. Dado que su rendimiento es particularmente adecuado para aplicaciones de energía, la palabra "energía" se agrega al nombre, es decir, batería de energía de fosfato de hierro y litio. Otros lo llaman "batería de litio-hierro (LiFe)".

Principio de funcionamiento

La batería de fosfato de hierro y litio se refiere a una batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio como material de cátodo. El óxido de cobalto de litio, el manganato de litio, el óxido de níquel y litio, los materiales ternarios y el fosfato de hierro y litio son los principales materiales del cátodo para las baterías de iones de litio. Entre ellos, el óxido de cobalto de litio es el material de cátodo 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 capacidad de almacenamiento. El níquel (Ni) y el manganeso (Mn) son más baratos, mientras que el hierro (Fe) tiene más capacidad de almacenamiento. Los precios de los materiales de cátodos también están en línea con los de estos metales. Por lo tanto, las baterías de iones de litio fabricadas con materiales de cátodo LiFePO4 deberían ser muy económicas. Otra característica es que es ecológico y no contamina.

Los requisitos para las baterías recargables son: alta capacidad, alto voltaje de salida, buen rendimiento del ciclo de carga-descarga, voltaje de salida estable, alta corriente de carga-descarga, estabilidad electroquímica, seguridad en el uso (para no causar combustión o explosión debido a un funcionamiento inadecuado de la sobrecarga , sobredescarga y cortocircuito), amplio rango de temperatura de funcionamiento, no tóxico o menos tóxico y sin contaminación para el medio ambiente. La batería de fosfato de hierro y litio con LiFePO4 como cátodo tiene buenos requisitos de rendimiento, especialmente en descargas de alta tasa de descarga (descarga de 5-10 ° C), voltaje de descarga estable, seguridad (sin combustión, sin explosión), vida útil (número de ciclo) y sin contaminación para el entorno. Es la mejor batería de potencia de salida de alta corriente en la actualidad.

Estructura y principio de funcionamiento

LiFePO4 sirve como polo positivo de la batería. Está conectado con el polo positivo de la batería mediante papel de aluminio y una membrana de polímero en el medio. Separa el polo positivo del polo negativo. Sin embargo, los iones de litio pueden atravesar el polo negativo de la batería, pero no los electrónicos. En el lado derecho, el polo negativo de la batería está compuesto de carbono (grafito) y la lámina de cobre está conectada con el polo negativo de la batería. Entre los extremos superior e inferior de la batería se encuentra el electrolito de la batería, que está sellado y encapsulado por una carcasa metálica.

Cuando se carga la batería LiFePO4, el ion de litio Li en el electrodo positivo migra al electrodo negativo a través del diafragma de polímero, y el ion de litio Li en el electrodo negativo migra al electrodo positivo a través del diafragma durante la descarga. Las baterías de iones de litio se denominan así por la migración hacia adelante y hacia atrás de los iones de litio durante la carga y descarga.

actuación principal

El voltaje nominal de la batería LiFePO4 es de 3,2 V, el voltaje de carga de terminación es de 3,6 V y el voltaje de descarga de terminación es de 2,0 V. Debido a que la calidad y la tecnología de los materiales de electrodos positivos y negativos y los materiales de electrolitos utilizados por varios fabricantes son diferentes, sus rendimientos serán diferentes. Por ejemplo, la capacidad del mismo tipo de batería (batería estándar con el mismo paquete) es bastante diferente (10% -20%).

Se señala aquí que existen algunas diferencias en los parámetros de rendimiento de las baterías de energía de fosfato de hierro y litio producidas en diferentes fábricas. Además, algunas prestaciones de la batería no están incluidas, como la resistencia interna de la batería, la tasa de autodescarga, la temperatura de carga y descarga, etc.

La capacidad de las baterías de energía de fosfato de hierro y litio es bastante diferente, que se puede dividir en tres categorías: pequeñas de cero a varios miliamperios por hora, medianas decenas de miliamperios por hora y grandes cientos de miliamperios por hora. Los mismos parámetros de diferentes tipos de baterías también son diferentes.

Prueba de descarga excesiva a voltaje cero:

Se usó la batería de energía de fosfato de hierro y litio STL18650 (1100 mAh) para probar la descarga a voltaje cero. Condiciones de prueba: 1 batería STL18650 de 100 mAh se llenó con una velocidad de carga de 0,5 C y luego se descargó a un voltaje de batería de 0 C con una velocidad de descarga de 1,0 C. Las baterías se dividen en dos grupos: un grupo se almacena durante 7 días, el otro grupo se almacena durante 30 días; después de que expira el almacenamiento, las baterías se llenan con una tasa de carga de 0.5C y luego se descargan con 1.0C. Finalmente, se comparan las diferencias entre los dos períodos de almacenamiento de voltaje cero.

Los resultados de la prueba muestran que después de 7 días de almacenamiento de voltaje cero, la batería no tiene fugas, buen rendimiento y 100% de capacidad; después de 30 días de almacenamiento, la batería no tiene fugas, buen rendimiento y 98% de capacidad; después de 30 días de almacenamiento, la batería tiene tres ciclos de carga y descarga y la capacidad se restablece al 100%.

Esta prueba muestra que incluso si la batería de fosfato de hierro y litio se descarga en exceso (incluso hasta 0 V) y se almacena durante un cierto período de tiempo, la batería no tendrá fugas ni se dañará. Esta es una característica que no poseen otros tipos de baterías de iones de litio.

ventaja

1. Mejora del desempeño en seguridad

El enlace PO en el cristal de fosfato de hierro y litio es estable y difícil de descomponer. Incluso a alta temperatura o sobrecarga, no se colapsará ni se calentará como el óxido de litio y cobalto ni formará sustancias oxidantes fuertes, por lo que tiene buena seguridad. Se ha informado que se encontró que un pequeño número de muestras ardían en los experimentos de perforación con agujas o de cortocircuito, pero no ocurrió ninguna explosión. En los experimentos de sobrecarga, la explosión aún se encontró cuando se usó la carga de alto voltaje, que era varias veces mayor que el voltaje de descarga en sí. Sin embargo, su seguridad de sobrecarga se ha mejorado mucho en comparación con las baterías de óxido de cobalto de litio y electrolito líquido ordinarias.

2. Mejora de la vida útil

La batería de fosfato de hierro y litio se refiere a una batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio como material de cátodo.

El ciclo de vida de las baterías de plomo-ácido de larga duración es de aproximadamente 300 veces y el máximo es de 500 veces. El ciclo de vida de las baterías de energía de fosfato de hierro y litio es más de 2000 veces, y la tasa de carga estándar (tasa de 5 horas) puede llegar a 2000 veces. Las baterías de plomo-ácido con la misma calidad son "medio año nuevas, medio año viejas, medio año de mantenimiento", y el tiempo máximo es de 1-1,5 años. La vida teórica de las baterías de fosfato de hierro y litio en las mismas condiciones será de 7-8 años. Teniendo en cuenta de manera integral, la relación entre el rendimiento y el precio es más de cuatro veces mayor que la de la batería de plomo-ácido en teoría. La descarga de alta corriente puede cargar y descargar 2C rápidamente. Bajo el cargador especial, la batería se puede llenar dentro de los 40 minutos después de la carga a 1.5C. La corriente de arranque puede alcanzar los 2 ° C, pero la batería de plomo-ácido no tiene ese rendimiento.

3. Buen rendimiento a altas temperaturas

El valor máximo del fosfato de hierro y litio puede alcanzar 350500, mientras que el del manganato de litio y el cobalto de litio es de solo 200 C. El rango de temperatura de trabajo es amplio (-20C-75C), y el valor máximo del fosfato de hierro y litio con resistencia a altas temperaturas puede alcanzar 350-500 (-20C-75C), mientras que el manganato de litio y el óxido de cobalto de litio son solo alrededor de 200 (-20C-75C).

4. Gran capacidad

La carga de baterías a menudo funciona en condiciones que están llenas y sin terminar, y su capacidad cae rápidamente por debajo de la capacidad nominal. Este fenómeno se llama efecto memoria. Por ejemplo, las baterías de níquel-hidrógeno y níquel-cadmio tienen memoria, pero las baterías de fosfato de hierro y litio no presentan este fenómeno. No importa en qué estado se encuentren las baterías, se pueden usar mientras se cargan sin antes apagarlas y recargarlas.

6. Peso ligero

El volumen de la batería de fosfato de hierro y litio con la misma capacidad es 2/3 del de la batería de plomo-ácido y el peso es 1/3 del de la batería de plomo-ácido.

7, protección del medio ambiente

Generalmente se considera que las baterías de fosfato de hierro y litio no contienen metales pesados ni metales raros (las baterías de níquel-hidrógeno necesitan metales raros), no tóxicas (certificación SGS), no contaminantes, de acuerdo con las regulaciones europeas RoHS, para el certificado de batería ecológico absoluto . Por lo tanto, la razón por la que la industria prefiere las baterías de litio son principalmente consideraciones ambientales. Por lo tanto, las baterías están incluidas en el plan nacional de desarrollo de alta tecnología "863" durante el período del "Décimo Plan Quinquenal", que se ha convertido en un proyecto nacional clave para apoyar y fomentar el desarrollo. Con la entrada de China en la OMC, el volumen de exportación de bicicletas eléctricas chinas aumentará rápidamente, y las bicicletas eléctricas que ingresan a Europa y América deben equiparse con baterías libres de contaminación.

Pero algunos expertos dicen que la contaminación ambiental causada por las baterías de plomo-ácido ocurre principalmente en el proceso de producción y reciclaje no estándar de la empresa. Asimismo, las baterías de litio son buenas en la industria de las nuevas energías, pero no pueden evitar el problema de la contaminación por metales pesados. El plomo, arsénico, cadmio, mercurio y cromo pueden liberarse al polvo y al agua durante el procesamiento de metales. La batería en sí es un tipo de sustancia química, por lo que puede producir dos tipos de contaminación: uno es el proceso de contaminación por excrementos en la ingeniería de producción; el otro es la contaminación de la batería después del desguace.

Las baterías de fosfato de hierro y litio también tienen algunas desventajas, como bajo rendimiento a baja temperatura, baja densidad de compactación de los materiales del cátodo, mayor volumen de baterías de fosfato de hierro y litio con la misma capacidad que las baterías de óxido de cobalto de litio, por lo que no tienen ventajas en las microbaterías. . En el caso de las baterías eléctricas, las baterías de fosfato de hierro y litio, al igual que otras baterías, deben afrontar el problema de la consistencia de la batería.

batería de fosfato de hierro y litio

defecto

Si un material tiene el potencial de aplicación y desarrollo, además de prestar atención a sus ventajas, lo más crucial es si el material tiene defectos fundamentales.

En la actualidad, el fosfato de hierro y litio se usa ampliamente como material de cátodo para baterías de iones de litio en China. Los analistas de mercado del gobierno, institutos de investigación, empresas e incluso compañías de valores toman este material como la dirección de desarrollo de las baterías de iones de litio. Hay dos razones principales para esto: primero, influenciadas por la dirección de la investigación y el desarrollo en los Estados Unidos, Valence y A123 Company en los Estados Unidos utilizaron por primera vez 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 buenos ciclos de alta temperatura y rendimiento de almacenamiento para baterías de iones de litio. Pero el fosfato de hierro y litio también tiene algunos defectos fundamentales que no se pueden ignorar. En resumen, existen los siguientes puntos:

1. En el proceso de sinterización de la preparación de fosfato de hierro y litio, existe la posibilidad de que el óxido de hierro se reduzca a hierro elemental en una atmósfera reductora de alta temperatura. El hierro es la sustancia más tabú en las baterías, que puede provocar un cortocircuito en las baterías. Esta es también la razón principal por la que Japón no ha utilizado este material como material de cátodo para baterías de iones de litio.

2. Hay algunos defectos de rendimiento en el fosfato de hierro y litio, como la baja densidad de compactación y la densidad de compactación, lo que da como resultado una baja densidad energética de las baterías de iones de litio. El rendimiento a baja temperatura es deficiente, incluso si es de tamaño nanométrico y está recubierto de carbono, no resuelve este problema. El Dr. Don Hillebrand, Director del Centro de Sistemas de Almacenamiento de Energía del Laboratorio Nacional de Argonne, habló sobre el rendimiento a baja temperatura de las baterías de fosfato de hierro y litio, que describió como terrible. Los resultados de sus pruebas en baterías de fosfato de hierro y litio mostraron que las baterías de fosfato de hierro y litio no podían conducir vehículos eléctricos a bajas temperaturas (por debajo de 0 C). Aunque algunos fabricantes afirman que la tasa de retención de capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio es buena a baja temperatura, lo es en el caso de baja corriente de descarga y bajo voltaje de corte. En este caso, el dispositivo simplemente no puede comenzar a funcionar.

3. El costo de la preparación del material es más alto que el de la fabricación de la batería, y el rendimiento de la batería es menor y la consistencia es deficiente. Aunque la nanocristalización 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 de procesamiento de los 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 los productos de fosfato de hierro y litio no es bajo. Incluso si se elimina el costo de la investigación y el desarrollo previos, el costo del proceso de este material más el costo de preparar las baterías hará que el costo de almacenamiento de energía unitario final sea más alto.

4. La consistencia del producto es deficiente. En la actualidad, no existe una fábrica de material de fosfato de hierro y litio en China para resolver este problema. Desde el punto de vista de la preparación del material, la síntesis de fosfato de hierro y litio es una reacción multifase compleja, que incluye fosfato en fase sólida, óxidos de hierro y sales de litio, precursores de la adición de carbono y fase de vapor 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 en los Estados Unidos, mientras que los canadienses aplican la patente recubierta de carbono. Estas dos patentes básicas no se pueden eludir. Si la regalía se calcula en el costo, el costo del producto aumentará aún más.

Además, a partir de la experiencia de investigación y desarrollo y producción de baterías de iones de litio, Japón es el primer país en comercializar baterías de iones de litio y ha estado ocupando el mercado de baterías de iones de litio de alta gama. Aunque Estados Unidos lidera algunas investigaciones básicas, hasta ahora no existe 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 cátodo para baterías de iones de litio. Incluso en los Estados Unidos, los fabricantes que utilizan fosfato de hierro y litio y manganato de litio como materiales de cátodo para baterías de iones de litio representan la mitad del total. El gobierno federal también apoya el desarrollo de ambos sistemas. En vista de los problemas anteriores del fosfato de hierro y litio, es difícil de usar ampliamente como material de cátodo para baterías de iones de litio de energía en automóviles de nueva energía y otros campos. Si el manganato de litio puede resolver el problema de un ciclo de baja temperatura y un rendimiento de almacenamiento deficientes, tendrá un gran potencial en la aplicación de baterías de iones de litio con sus ventajas de bajo costo y rendimiento de alta velocidad.

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