Acerca de las siete ventajas y cinco desventajas de la batería 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. Debido a que su rendimiento es particularmente adecuado para aplicaciones de energía, la palabra "energía" se agrega a su nombre, es decir, batería de energía de fosfato de hierro y litio. Algunas personas también lo llaman "batería de litio-hierro".

Principio de funcionamiento

La batería de fosfato de hierro y litio es la batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo. Los materiales de los electrodos positivos de las baterías de iones de litio incluyen principalmente óxido de cobalto de litio, óxido de litio y manganeso, óxido de litio y níquel, materiales ternarios, fosfato de litio y hierro, etc. Entre ellos, el óxido de litio y cobalto es el material de electrodo positivo utilizado en muchas baterías de iones de litio.

Significado

En el mercado de comercio de metales, el cobalto (Co) es el metal más caro y su cantidad de almacenamiento es pequeña. El níquel (Ni) y el manganeso (Mn) son relativamente baratos, mientras que el hierro (Fe) se almacena en grandes cantidades. El precio del material del cátodo también es consistente con el precio de estos metales. Por lo tanto, una batería de iones de litio hecha de LiFePO4 como material de electrodo positivo debería ser relativamente económica. Otra de sus características es que es respetuoso con el medio ambiente y no contamina.

Los requisitos para las baterías recargables son: alta capacidad, alto voltaje de salida, buen rendimiento del ciclo de carga y descarga, voltaje de salida estable, carga y descarga de alta corriente, estabilidad electroquímica y aplicación segura (sin sobrecarga, descarga excesiva y cortocircuito que puede causar quema o exploración), amplio rango de temperatura de funcionamiento, no tóxico o menos tóxico, sin contaminación para el medio ambiente. La batería de fosfato de hierro y litio que utiliza LiFePO4 como electrodo positivo tiene un buen rendimiento en estos requisitos, especialmente en una gran tasa de descarga (descarga de 5 ~ 10C), voltaje de descarga estable, seguridad (sin combustión, sin explosión) y vida útil (número de ciclo). Es la mejor batería de potencia de salida de alta corriente y buena para el medio ambiente.

Estructura y principio de funcionamiento

LiFePO4 se utiliza como electrodo positivo de la batería. Está conectado al electrodo positivo de la batería mediante papel de aluminio. Hay un separador de polímeros en el medio. Separa el electrodo positivo del electrodo negativo, por el que el ion de litio puede pasar pero el electrón e- no. El lado derecho está compuesto de carbono (grafito). El electrodo negativo de la batería está conectado por una lámina de cobre al electrodo negativo de la batería. Entre los extremos superior e inferior de la batería está el electrolito de la batería, y la batería está sellada herméticamente por una carcasa de metal.

Cuando la batería LiFePO4 se está cargando, el ion de litio en el electrodo positivo migra hacia el electrodo negativo a través del separador de polímero; durante el período de descarga, el ion litio en el electrodo negativo migra hacia el electrodo positivo a través del separador. Las baterías de iones de litio llevan el nombre de los iones de litio que migran hacia adelante y hacia atrás durante la carga y descarga.

Rendimiento 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 la diferencia de calidad y proceso de los materiales positivos y negativos y los materiales electrolíticos, también habrá algunas diferencias en su desempeño. Por ejemplo, el mismo modelo (batería estándar con el mismo paquete) tiene una gran diferencia en la capacidad de la batería (10% a 20%).

Cabe señalar aquí que las baterías de energía de fosfato de hierro y litio producidas por diferentes fábricas pueden tener algunas diferencias en varios parámetros de rendimiento; 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.

Las baterías de litio y fosfato de hierro tienen grandes diferencias de capacidad y se pueden dividir en tres categorías: la capacidad pequeña está por debajo de la fracción de miliamperios por hora, la capacidad media alcanza las decenas de miliamperios por hora y la gran capacidad está por encima de los cien miliamperios por hora. Existen algunas diferencias en los mismos parámetros para diferentes tipos de baterías.

Sobredescarga hasta prueba de voltaje cero:

La batería de potencia de fosfato de hierro y litio STL18650 (1100 mAh) se ha utilizado para pruebas de sobredescarga a cero voltaje. Condiciones de prueba: una batería STL 18650 de 1100 mAh se cargó completamente a una velocidad de carga de 0,5 C y luego se descargó a una velocidad de descarga de 1,0 C hasta que el voltaje de la batería fuera 0 C, luego divida las baterías en 0 V en dos grupos: uno es almacenado durante 7 días, el otro se almacena durante 30 días; después de que expire el almacenamiento, llene con una tasa de carga de 0.5 C, y luego descargue con 1.0 C. Finalmente, compare y descubra las diferencias entre sus períodos de almacenamiento de voltaje cero.

El resultado de la prueba es que la batería no tiene fugas después de 7 días de almacenamiento de voltaje cero, y el rendimiento es bueno, la capacidad es del 100%; después de 30 días de almacenamiento, no hay fugas, el rendimiento es bueno, la capacidad es del 98%; después de 30 días de almacenamiento, la batería se carga y descarga 3 veces más. 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 a 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 tienen otros tipos de baterías de iones de litio.

Ventajas de la batería de fosfato de hierro y litio

1. Mejora del desempeño en seguridad

El enlace PO en el cristal de fosfato de hierro y litio es estable y difícil de descomponer, y no se colapsa ni se calienta como un óxido de cobalto de litio ni forma una sustancia oxidante fuerte incluso a alta temperatura o sobrecarga, por lo que tiene un buen rendimiento de seguridad. Se ha informado que en la operación real, se encontró que una pequeña parte de la muestra tenía un fenómeno de quemado en la prueba de acupuntura o cortocircuito, pero no hubo un evento de explosión. Durante el experimento de sobrecarga, cuando se cargó a un voltaje alto que era varias veces más alto que el voltaje de autodescarga, se encontró que todavía había un fenómeno de explosión. Aun así, su rendimiento de seguridad de sobrecarga se ha mejorado en gran medida en comparación con la batería de óxido de cobalto de litio de electrolito líquido ordinario.

2 . la 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 electrodo positivo.

La batería de plomo-ácido de larga duración tiene una vida útil de aproximadamente 300 veces y la más alta es de 500 veces. La batería de energía de fosfato de hierro y litio tiene un ciclo de vida de más de 2000 veces, y la carga estándar (tasa de 5 horas) se puede utilizar hasta 2000 veces. El ciclo de la batería de plomo-ácido de la misma calidad es "medio año nuevo, medio año antiguo, durante más medio año después del mantenimiento", hasta 1 ~ 1,5 años, mientras que la batería de fosfato de hierro y litio se utiliza en las mismas condiciones, el teórico la vida alcanzará los 7 ~ 8 años. Con todo, la relación precio-rendimiento es teóricamente cuatro veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido. La descarga de alta corriente se puede cargar y descargar rápidamente con 2C de alta corriente. Bajo el cargador especial, la batería se puede cargar completamente en 40 minutos con una carga de 1,5 ° C, y la corriente de arranque puede alcanzar los 2 ° C, pero la batería de plomo-ácido no tiene tal rendimiento.

3 . rendimiento a alta temperatura

La temperatura máxima del fosfato de hierro y litio puede alcanzar los 350 ° C -500 ° C, mientras que el manganato de litio y el óxido de cobalto de litio son solo alrededor de 200 ° C.Con un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-20C - 75C), resistencia a altas temperaturas, hierro de litio Pico de calentamiento eléctrico de fosfato hasta 350 ° C -500 ° C, mientras que el manganato de litio y el óxido de cobalto de litio solo alrededor de 200 ° C.

4 . gran capacidad

La batería recargable generalmente funciona bajo la condición de que a menudo esté completamente cargada pero sin sobrecarga, su capacidad es rápidamente menor que la capacidad nominal. Este fenómeno se llama efecto memoria. Las baterías de níquel-hidruro metálico y de níquel-cadmio tienen efecto memoria, pero no las baterías de fosfato de hierro y litio. No importa en qué estado se encuentre la batería, se puede usar mientras se carga y recargar no solo después de descargarse por completo.

6 . peso ligero

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

7 . Amigable con el medio ambiente

La batería de fosfato de hierro y litio generalmente se considera libre de metales pesados y metales raros (las baterías de Ni-MH requieren metales raros), no tóxica (certificada por SGS), no contaminante, aprobada por las regulaciones RoHS europeas: es un certificado de batería ecológico absoluto . Por lo tanto, la razón por la que la industria prefiere las baterías de iones de litio se debe a consideraciones ambientales. Por lo tanto, la batería ha sido incluida en el plan nacional de desarrollo de alta tecnología “863” durante el período del “XV Congreso Nacional”, y se ha convertido en un proyecto clave de desarrollo nacional de apoyo y estímulo. Con la adhesión de China a la OMC, el volumen de exportación de bicicletas eléctricas en China aumentará rápidamente y las bicicletas eléctricas que ingresan a Europa y América deben estar equipadas con baterías no contaminantes.

Sin embargo, algunos expertos dijeron que la contaminación ambiental causada por las baterías de plomo-ácido se produjo principalmente en el proceso de producción y el proceso de reciclaje de las empresas. Del mismo modo, las baterías de iones de litio pertenecen a la nueva industria energética, pero no pueden evitar el problema de la contaminación por metales pesados. El plomo, arsénico, cadmio, mercurio, cromo, etc. pueden liberarse al polvo y al agua durante el procesamiento de materiales metálicos. La batería en sí es una sustancia química, por lo que puede haber dos tipos de contaminación: uno es el sedimento de salida industrial durante el proceso de producción, el otro es la contaminación de la batería después de la chatarra.

Las baterías de fosfato de hierro y litio también tienen sus desventajas: por ejemplo, el rendimiento deficiente a baja temperatura, la baja densidad de derivación de los materiales de los electrodos positivos y la capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio con la misma capacidad son más grandes que las baterías de iones de litio como el óxido de cobalto de litio, por lo que hay No hay ninguna ventaja en las microbaterías. Cuando se usa en una batería de potencia, una batería de fosfato de hierro y litio, al igual que otras baterías, debe enfrentar problemas de consistencia de la batería.

Desventajas de la batería de fosfato de hierro y litio

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.

El fosfato de hierro y litio se usa ampliamente como material de electrodo positivo para baterías de iones de litio de tipo de potencia en China. Los analistas de mercado del gobierno, las instituciones de investigación científica, las empresas e incluso las compañías de valores son optimistas sobre este material como la dirección de desarrollo de las baterías de iones de litio. Hay dos razones para esta situación: Primero, el impacto de la dirección de investigación y desarrollo de los Estados Unidos: la compañía Valence y A123 de los Estados Unidos utilizó por primera vez fosfato de hierro y litio como material de cátodo para las baterías de iones de litio. En segundo lugar, no hay preparación de materiales de manganato de litio con buenas propiedades de almacenamiento y ciclos de alta temperatura producidos para baterías de iones de litio de tipo de energía. Sin embargo, el fosfato de hierro y litio también tiene defectos fundamentales que no se pueden ignorar. Los puntos principales son los siguientes:

1. Durante el proceso de sinterización en la preparación de fosfato de hierro y litio, es probable que el óxido de hierro se reduzca a hierro a alta temperatura. El hierro puede causar microcortocircuitos de la batería, que es la sustancia más tabú en la batería. Esta es también la razón principal por la que Japón no ha utilizado este material como material de electrodo positivo para una batería de iones de litio.

2. Hay algunos defectos de rendimiento en el fosfato de hierro y litio, como una baja densidad de derivación y una densidad compactada, lo que da como resultado una baja densidad de energía de las baterías de iones de litio. El rendimiento a baja temperatura es deficiente, incluso si después de la nanocristalización y el recubrimiento de carbono, este problema aún no se puede resolver. 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. Usó terrible para describirlo. Los resultados de la prueba de la batería de fosfato de hierro y litio indican que la batería de fosfato de hierro y litio no se puede utilizar en un coche eléctrico a baja temperatura (por debajo de 0 ° C). Aunque algunos fabricantes afirman que la batería de fosfato de hierro y litio tiene una buena tasa de retención de capacidad a bajas temperaturas, es en el caso de una pequeña corriente de descarga y una baja tensión de corte de descarga. En esta situación, el dispositivo simplemente ni siquiera puede funcionar.

3. El costo de preparación del material y el costo de fabricación de la batería son altos, el rendimiento de la batería es bajo y la consistencia es pobre. Aunque la nanocristalización y el recubrimiento de carbono del fosfato de hierro y litio mejoran el rendimiento electroquímico del material, también traen otros problemas como una disminución en la densidad de energía, un aumento en el costo de síntesis, un rendimiento deficiente del procesamiento de electrodos y problemas ambientales exigentes. 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 es alto, incluso si, excepto el costo de investigación y desarrollo anterior, el costo del proceso del material y el costo de preparar la batería seguirá aumentando el costo de la unidad final de energía almacenada.

4. Mala consistencia del producto. En la actualidad, no existe una fábrica de material de fosfato de hierro y litio que pueda resolver este problema. En cuanto a la preparación del material, la reacción de síntesis de fosfato de hierro y litio es una reacción compleja heterogénea, que tiene fosfato en fase sólida, óxido de hierro y sal de litio, un precursor de carbono y una fase gaseosa reductora. Es difícil asegurar la consistencia de la reacción durante este complejo proceso de 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, y los canadienses solicitan la patente recubierta de carbono. Estas dos patentes básicas no pueden eludirse. Si se calcula el costo de la patente, el costo del producto aumentará aún más.

Además, a partir de la experiencia de investigación, desarrollo y producción de baterías de iones de litio, Japón es el primer país comercializado de baterías de iones de litio y siempre ha ocupado el mercado de baterías de iones de litio de alta gama. Aunque Estados Unidos está avanzado en algunas investigaciones básicas, todavía no existe un fabricante de baterías de iones de litio a gran escala. Por lo tanto, es más razonable que Japón modifique el manganato de litio como material de electrodo positivo para una batería de iones de litio de tipo eléctrico. Incluso en los Estados Unidos, el fosfato de hierro y litio y el manganato de litio se utilizan como materiales de cátodo para baterías de iones de litio de tipo eléctrico, y el gobierno federal también apoya el desarrollo de estos materiales. En base a los problemas anteriores del fosfato de hierro y litio, es difícil de utilizar ampliamente como material de electrodo positivo para una batería de iones de litio de tipo de potencia en el campo, como los vehículos de nueva energía. Si puede resolver el problema del ciclo de alta temperatura y el rendimiento de almacenamiento deficiente de la manganita de litio, confíe en sus ventajas de bajo costo y rendimiento de alta velocidad, tendrá un gran potencial en la aplicación de baterías de iones de litio.