Il nome completo della batteria al litio ferro fosfato è batteria agli ioni di litio litio ferro fosfato, questo nome è troppo lungo, indicato come batteria al litio ferro fosfato. Poiché le sue prestazioni sono particolarmente adatte per applicazioni di potenza, al nome viene aggiunta la parola "power", ovvero batteria di potenza al litio ferro fosfato. Alcune persone la chiamano anche "batteria al litio ferro (LiFe)".
Principio di funzionamento
La batteria al litio ferro fosfato si riferisce a una batteria agli ioni di litio che utilizza il litio ferro fosfato come materiale dell'elettrodo positivo. I principali materiali catodici delle batterie agli ioni di litio sono litio cobalto, litio manganato, litio nichel, materiali ternari, litio ferro fosfato e così via. Il litio cobaltato è il materiale anodico utilizzato nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio.
significato
Nel mercato del commercio dei metalli, il cobalto (Co) è il più costoso e ha poco spazio di stoccaggio, il nichel (Ni) e il manganese (Mn) sono più economici e il ferro (Fe) ha più spazio di stoccaggio. Anche il prezzo del materiale dell'anodo è in linea con il prezzo di questi metalli. Pertanto, le batterie agli ioni di litio realizzate con materiali catodici LiFePO4 dovrebbero essere piuttosto economiche. Un'altra caratteristica è l'assenza di inquinamento ambientale.
Essendo una batteria ricaricabile, i requisiti sono: capacità elevata, tensione di uscita elevata, buone prestazioni del ciclo di carica-scarica, tensione di uscita stabile, carica-scarica ad alta corrente, stabilità elettrochimica, sicurezza nell'uso (non causerà combustione o esplosione a causa di un funzionamento improprio come sovraccarico, scarica eccessiva e cortocircuito), ampio intervallo di temperature di funzionamento, non tossico o meno tossico, nessun inquinamento per l'ambiente. Le batterie al litio ferro fosfato che utilizzano LiFePO4 come elettrodo positivo soddisfano questi requisiti prestazionali, in particolare in caso di scarica con elevata velocità di scarica (scarica di 5 ~ 10 °C), tensione di scarica stabile, sicurezza (nessuna combustione, nessuna esplosione), durata (numero di cicli), e nessun inquinamento per l'ambiente, è il migliore, è attualmente la migliore batteria con potenza in uscita ad alta corrente.
Struttura e principio di funzionamento
LiFePO4, come elettrodo positivo della batteria, è collegato tramite un foglio di alluminio all'elettrodo positivo della batteria. Al centro c'è un diaframma polimerico che separa l'elettrodo positivo dall'elettrodo negativo, ma lo ione litio Li può passare e l'elettrone e- non può passare. A destra si trova l'elettrodo negativo della batteria composto da carbonio (grafite), che è collegato all'elettrodo negativo della batteria tramite un foglio di rame. Tra le estremità superiore e inferiore della batteria si trova l'elettrolito e la batteria è sigillata da un guscio metallico.
Quando la batteria LiFePO4 viene caricata, lo ione di litio Li nell'elettrodo positivo migra verso l'elettrodo negativo attraverso il diaframma polimerico; Durante il processo di scarica, lo ione di litio Li nell'elettrodo negativo migra attraverso il diaframma verso l'elettrodo positivo. Le batterie agli ioni di litio prendono il nome perché gli ioni di litio migrano avanti e indietro mentre vengono caricati e scaricati.
Prestazione principale
La tensione nominale della batteria LiFePO4 è 3,2 V, la tensione di carica terminale è 3,6 V e la tensione di scarica terminale è 2,0V. A causa della diversa qualità e processo dei materiali degli elettrodi positivi e negativi e dei materiali elettrolitici utilizzati dai vari produttori, le loro prestazioni saranno leggermente diverse. Ad esempio, lo stesso modello (lo stesso pacchetto di batteria standard), la capacità della batteria presenta una grande differenza (dal 10% al 20%).
Va notato qui che ci sono alcune differenze nei parametri prestazionali delle batterie al litio ferro fosfato prodotte da diverse fabbriche; Inoltre, alcune prestazioni della batteria non sono incluse, come la resistenza interna della batteria, la velocità di autoscarica, la temperatura di carica e scarica.
La capacità delle batterie al litio ferro fosfato è molto diversa e può essere suddivisa in tre categorie: piccole decine di milliampere, decine di milliampere di medie dimensioni e grandi centinaia di milliampere. Esistono anche alcune differenze negli stessi parametri dei diversi tipi di batterie.
Test di scarica eccessiva fino a tensione zero:
È stato eseguito il test di scarica a tensione zero della batteria di alimentazione al litio ferro fosfato STL18650(1100mAh). Condizioni di test: carica la batteria da 1100mAh STL18650 con una velocità di carica di 0,5°C, quindi scaricala con una velocità di scarica di 1,0°C finché la tensione della batteria non raggiunge 0°C. Successivamente le batterie poste a 0V vengono divise in due gruppi: un gruppo viene conservato per 7 giorni, l'altro gruppo viene conservato per 30 giorni; Al termine dello stoccaggio, viene riempito con una velocità di carica di 0,5°C e quindi scaricato con una velocità di 1,0°C. Infine, viene confrontata la differenza tra i due periodi di conservazione a tensione zero.
Il risultato del test è che dopo 7 giorni di conservazione a tensione zero, la batteria non presenta perdite, ha buone prestazioni e la capacità è al 100%; Dopo 30 giorni di conservazione, nessuna perdita, buone prestazioni, capacità del 98%; Dopo 30 giorni di stoccaggio, la batteria viene caricata e scaricata per altri 3 cicli e la capacità viene ripristinata al 100%.
Questo test dimostra che anche se la batteria al litio ferro fosfato è stata scaricata (anche fino a 0V) e conservata per un certo periodo, la batteria non subirà perdite né si danneggerà. Questa è una caratteristica che altri tipi di batterie agli ioni di litio non hanno.
Vantaggio
1. Miglioramento delle prestazioni di sicurezza
Il legame PO nel cristallo di fosfato di litio ferro è stabile e difficile da decomporre, anche ad alta temperatura o sovraccarico, non collasserà, non si riscalderà né formerà forti sostanze ossidanti come l'ossido di litio cobalto, quindi ha una buona sicurezza. È stato riferito che una piccola parte del campione è risultata bruciata durante il funzionamento effettivo dell'ago o dell'esperimento di cortocircuito, ma non si è verificato alcun evento di esplosione e l'esperimento di sovraccarico ha utilizzato una carica ad alta tensione che ha notevolmente superato l'autoscarica tensione più volte e si è constatato che c'era ancora un'esplosione. Tuttavia, la sua sicurezza in caso di sovraccarico è stata notevolmente migliorata rispetto alle normali batterie all'ossido di litio cobalto con elettrolita liquido.
2. Il miglioramento della vita
La batteria al litio ferro fosfato è una batteria agli ioni di litio che utilizza litio ferro fosfato come materiale dell'elettrodo positivo.
La durata del ciclo della batteria al piombo-acido a lunga durata è di circa 300 volte e il massimo è di 500 volte, mentre la batteria al litio ferro fosfato ha una durata del ciclo di oltre 2000 volte e la carica standard ({{5} }tariffa oraria) può essere utilizzata per 2000 volte. La stessa batteria al piombo di qualità è "nuova sei mesi, vecchia sei mesi, manutenzione e manutenzione per un altro semestre", al massimo da 1 a 1,5 anni, e le batterie al litio ferro fosfato vengono utilizzate nelle stesse condizioni, il valore teorico la vita raggiungerà i 7-8 anni. Considerando nel complesso, il rapporto prestazioni/prezzo è in teoria più di 4 volte quello delle batterie al piombo-acido. La scarica ad alta corrente può essere carica e scarica rapida a 2C ad alta corrente, con il caricatore speciale, la ricarica a 1,5C può essere caricata completamente entro 40 minuti, la corrente di avviamento fino a 2C e le batterie al piombo non hanno queste prestazioni.
3. Buone prestazioni alle alte temperature
Il valore di picco del fosfato di litio ferro può raggiungere i 350 gradi -500 gradi, mentre il manganato di litio e il cobalto di litio sono solo circa 200 gradi. L'intervallo di temperature di funzionamento è ampio (-20C-- 75C) e il picco elettrico del fosfato di litio-ferro può raggiungere i 350 gradi -500 gradi, mentre l'acido di litio manganese e l'acido di litio cobalto sono solo circa 200 gradi.
4. Grande capacità
Le batterie spesso funzionano a condizione che siano piene e non scariche e la capacità sarà rapidamente inferiore al valore di capacità nominale, fenomeno chiamato effetto memoria. Come l'idruro di nichel-metallo, le batterie al nichel-cadmio hanno memoria e le batterie al litio ferro fosfato non presentano questo fenomeno, indipendentemente dallo stato in cui si trova la batteria, può essere utilizzata con la carica, senza prima posizionarla e quindi caricarla.
6. Leggero
Il volume e il peso di una batteria al litio ferro fosfato con la stessa capacità sono 2/3 del volume e 1/3 del peso di una batteria al piombo.
7. Tutela dell'ambiente
Le batterie al litio ferro fosfato sono generalmente considerate prive di metalli pesanti e metalli rari (le batterie al nichel-metallo idruro necessitano di metalli rari), non tossiche (certificazione SGS), prive di inquinamento, in linea con le normative europee RoHS, per il massimo rispetto dell'ambiente. certificato della batteria. Pertanto, il motivo per cui le batterie al litio sono ottimiste da parte del settore sono principalmente considerazioni di protezione ambientale, quindi la batteria è stata inclusa nel piano nazionale di sviluppo high-tech "863" durante il periodo del "Decimo piano quinquennale", ed è diventato un progetto chiave a livello nazionale per sostenere e incoraggiare lo sviluppo. Con l'adesione della Cina all'OMC, il volume delle esportazioni di biciclette elettriche cinesi aumenterà rapidamente e le biciclette elettriche che entrano in Europa e negli Stati Uniti dovranno essere dotate di batterie non inquinanti.
Tuttavia, alcuni esperti hanno affermato che l'inquinamento ambientale causato dalle batterie al piombo-acido si verifica principalmente nel processo di produzione non standard e nel processo di riciclaggio delle imprese. Allo stesso modo, le batterie al litio appartengono al nuovo settore energetico, ma non possono evitare il problema dell'inquinamento da metalli pesanti. Piombo, arsenico, cadmio, mercurio, cromo, ecc. nella lavorazione di materiali metallici possono essere rilasciati nella polvere e nell'acqua. La batteria stessa è una sostanza chimica, quindi è possibile produrre due tipi di inquinamento: uno è l'inquinamento dei rifiuti di processo nel progetto di produzione; Il secondo è l’inquinamento delle batterie dopo la rottamazione.
Anche le batterie al litio ferro fosfato hanno i loro svantaggi: scarse prestazioni a bassa temperatura, piccola densità di vibrazione positiva del materiale, il volume delle batterie al litio ferro fosfato della stessa capacità è maggiore delle batterie agli ioni di litio come l'acido litio-cobalto, quindi non ha un vantaggio in termini di micro-batterie. Se utilizzate nelle batterie di alimentazione, le batterie al litio ferro fosfato, come altre batterie, devono affrontare problemi di consistenza della batteria.
Difetto
Se un materiale ha il potenziale per lo sviluppo di applicazioni, oltre a concentrarsi sui suoi vantaggi, la cosa più critica è se il materiale presenta difetti fondamentali.
La Cina ora sceglie generalmente il fosfato di litio e ferro come materiale per elettrodi positivi per le batterie agli ioni di litio, da parte del governo, degli istituti di ricerca scientifica, delle imprese e persino delle società di intermediazione mobiliare e altri analisti di mercato sono ottimisti su questo materiale, come sviluppo delle batterie agli ioni di litio direzione. Le ragioni sono principalmente le seguenti: in primo luogo, influenzate dalla direzione di ricerca e sviluppo degli Stati Uniti, le società Valence e A123 negli Stati Uniti sono state le prime a utilizzare il fosfato di litio e ferro come materiale dell'elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio. In secondo luogo, non è stata effettuata alcuna preparazione domestica di materiali di manganato di litio con buone proprietà di conservazione e ciclo ad alta temperatura per le batterie agli ioni di litio. Tuttavia il litio ferro fosfato presenta anche dei difetti fondamentali che non possono essere ignorati e che possono essere così riassunti:
1. Nel processo di sinterizzazione della preparazione del fosfato di litio ferro, l'ossido di ferro ha la possibilità di essere ridotto a ferro elementare in un'atmosfera riducente ad alta temperatura. Il ferro elementare può causare un microcortocircuito della batteria ed è la sostanza più tabù della batteria. Questo è anche il motivo principale per cui il Giappone non ha utilizzato questo materiale come materiale per elettrodi positivi per le batterie agli ioni di litio.
2. Il fosfato di litio e ferro presenta alcuni difetti prestazionali, come la densità di vibrazione e la densità di compattazione è molto bassa, con conseguente bassa densità energetica delle batterie agli ioni di litio. Le prestazioni alle basse temperature sono scarse, anche il rivestimento nano e carbonio non ha risolto questo problema. Il dottor Don Hillebrand, direttore dell'Energy Storage System Center presso l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti, parlando delle prestazioni a bassa temperatura delle batterie al litio ferro fosfato, ha usato parole terribili per descrivere i risultati dei test delle batterie agli ioni di litio al litio ferro fosfato mostrati che le batterie al litio ferro fosfato a basse temperature (sotto i 0 gradi C) non possono far funzionare i veicoli elettrici. Sebbene alcuni produttori affermino che il tasso di mantenimento della capacità delle batterie al litio ferro fosfato è buono alle basse temperature, lo è nel caso di corrente di scarica ridotta e tensione di interruzione di scarica bassa. In questo caso, il dispositivo non inizierà a funzionare affatto.
3. Il costo di preparazione del materiale e il costo di produzione della batteria sono più elevati, la resa della batteria è bassa e la consistenza è scarsa. Il rivestimento nanometrico e carbonioso del fosfato di litio ferro migliora le prestazioni elettrochimiche del materiale, ma comporta anche altri problemi, come una ridotta densità di energia, maggiori costi di sintesi, scarse prestazioni di lavorazione degli elettrodi e rigidi requisiti ambientali. Sebbene gli elementi chimici Li, Fe e P nel fosfato di litio ferro siano molto ricchi e il costo sia basso, il costo del prodotto preparato con fosfato di litio ferro non è basso, anche se vengono rimossi i primi costi di ricerca e sviluppo, il costo del processo del materiale, sommato all'elevato costo di preparazione della batteria, farà sì che il costo di stoccaggio dell'energia per unità finale sia più elevato.
4. Scarsa consistenza del prodotto. Al momento, in Cina non esiste una fabbrica di materiale al fosfato di litio e ferro per risolvere questo problema. Dal punto di vista della preparazione del materiale, la sintesi del fosfato di litio e ferro è una reazione multifase complessa, con fosfato in fase solida, ossido di ferro e sale di litio, più precursore di carbonio e fase gassosa riducente. In questo complesso processo di reazione, è difficile garantire la consistenza della reazione.
5. Questioni relative alla proprietà intellettuale. Attualmente, il brevetto di base per il fosfato di litio e ferro è di proprietà dell'Università del Texas, mentre il brevetto del rivestimento in carbonio è applicato dai canadesi. Questi due brevetti fondamentali non possono essere aggirati, se si calcola il costo delle royalty, il costo del prodotto verrà ulteriormente aumentato.
Inoltre, grazie all'esperienza di ricerca, sviluppo e produzione di batterie agli ioni di litio, il Giappone è il primo paese a commercializzare batterie agli ioni di litio e ha sempre occupato il mercato delle batterie agli ioni di litio di fascia alta. Sebbene gli Stati Uniti siano leader in alcune ricerche di base, finora non hanno un grande produttore di batterie agli ioni di litio. Pertanto, è più ragionevole che il Giappone scelga il manganato di litio modificato come materiale per l’elettrodo positivo per le batterie dinamiche agli ioni di litio. Anche negli Stati Uniti, l’uso del fosfato di litio ferro e del manganato di litio come produttori di materiali catodici per batterie agli ioni di litio è equamente diviso e anche il governo federale sostiene lo sviluppo di entrambi i sistemi. Alla luce dei problemi di cui sopra esistenti nel fosfato di litio e ferro, è difficile che venga ampiamente utilizzato come materiale per elettrodi positivi per alimentare batterie agli ioni di litio in campi come i veicoli a nuova energia. Se riusciamo a risolvere il problema delle scarse prestazioni di ciclismo e stoccaggio ad alta temperatura del manganato di litio, con i suoi vantaggi di basso costo e prestazioni ad alta velocità, avrà un grande potenziale nell’applicazione delle batterie dinamiche agli ioni di litio.
