Nama penuh bateri litium besi fosfat ialah bateri litium fosfat besi litium, nama ini terlalu panjang, dirujuk sebagai bateri fosfat besi litium. Oleh kerana prestasinya amat sesuai untuk aplikasi kuasa, perkataan "kuasa" ditambah pada nama, iaitu bateri kuasa fosfat besi litium. Sesetengah orang juga memanggilnya "bateri kuasa besi litium (LiFe)."
Prinsip kerja
Bateri litium besi fosfat merujuk kepada bateri ion litium menggunakan fosfat besi litium sebagai bahan elektrod positif. Bahan katod utama bateri litium-ion ialah litium kobalt, litium manganat, litium nikel, bahan ternary, litium besi fosfat dan sebagainya. Litium kobaltat ialah bahan anod yang digunakan dalam kebanyakan bateri litium-ion.
kepentingan
Dalam pasaran perdagangan logam, kobalt (Co) adalah yang paling mahal dan mempunyai sedikit simpanan, nikel (Ni) dan mangan (Mn) lebih murah, dan besi (Fe) mempunyai lebih banyak simpanan. Harga bahan anod juga selaras dengan harga logam ini. Oleh itu, bateri litium-ion yang diperbuat daripada bahan katod LiFePO4 sepatutnya agak murah. Satu lagi cirinya ialah tiada pencemaran kepada alam sekitar.
Sebagai bateri boleh dicas semula, keperluannya ialah: kapasiti tinggi, voltan keluaran tinggi, prestasi kitaran cas-nyahcas yang baik, voltan keluaran stabil, nyahcas cas arus tinggi, kestabilan elektrokimia, keselamatan dalam penggunaan (tidak akan menyebabkan pembakaran atau letupan disebabkan oleh operasi yang tidak betul. seperti overcharge, overdischarge dan litar pintas), julat suhu operasi yang luas, tidak toksik atau kurang toksik, tiada pencemaran kepada alam sekitar. Bateri fosfat besi litium menggunakan LiFePO4 sebagai elektrod positif adalah baik dalam keperluan prestasi ini, terutamanya dalam pelepasan kadar nyahcas yang besar (nyahcas 5 ~ 10C), voltan nyahcas yang stabil, keselamatan (tiada pembakaran, tiada letupan), hayat (bilangan kitaran), dan tiada pencemaran kepada alam sekitar, ia adalah yang terbaik, pada masa ini adalah bateri kuasa keluaran arus tinggi terbaik.
Struktur dan prinsip kerja
LiFePO4, sebagai elektrod positif bateri, disambungkan oleh kerajang aluminium ke elektrod positif bateri. Di tengah adalah diafragma polimer, yang memisahkan elektrod positif daripada elektrod negatif, tetapi ion litium Li boleh melalui dan elektron e- tidak boleh melalui. Di sebelah kanan ialah elektrod negatif bateri yang terdiri daripada karbon (grafit), yang disambungkan dengan elektrod negatif bateri oleh kerajang tembaga. Di antara hujung atas dan bawah bateri adalah elektrolit bateri, dan bateri dimeterai oleh cangkang logam.
Apabila bateri LiFePO4 dicas, ion litium Li dalam elektrod positif berhijrah ke elektrod negatif melalui diafragma polimer; Semasa proses nyahcas, ion litium Li dalam elektrod negatif berhijrah melalui diafragma ke elektrod positif. Bateri litium-ion dinamakan kerana ion litium berhijrah ke sana ke mari semasa ia dicas dan dinyahcas.
Prestasi utama
Voltan nominal bateri LiFePO4 ialah 3.2V, voltan cas penamatan ialah 3.6V dan voltan nyahcas penamatan ialah 2.0V. Disebabkan oleh kualiti dan proses yang berbeza bagi bahan elektrod positif dan negatif dan bahan elektrolit yang digunakan oleh pelbagai pengeluar, prestasi mereka akan agak berbeza. Contohnya, model yang sama (pakej bateri standard yang sama), kapasiti baterinya mempunyai perbezaan yang besar (10% hingga 20%).
Perlu diingatkan di sini bahawa terdapat beberapa perbezaan dalam parameter prestasi bateri kuasa fosfat besi litium yang dihasilkan oleh kilang yang berbeza; Di samping itu, terdapat beberapa prestasi bateri tidak disertakan, seperti rintangan dalaman bateri, kadar nyahcas diri, cas dan suhu nyahcas.
Kapasiti bateri kuasa litium besi fosfat adalah sangat berbeza, dan boleh dibahagikan kepada tiga kategori: persepuluh kecil hingga beberapa miliamp, puluhan miliamp bersaiz sederhana, dan ratusan miliamp yang besar. Terdapat juga beberapa perbezaan dalam parameter yang sama bagi jenis bateri yang berbeza.
Ujian berlebihan kepada voltan sifar:
Ujian nyahcas kepada voltan sifar STL18650(1100mAh) bateri kuasa litium besi fosfat telah dijalankan. Keadaan ujian: Cas bateri 1100mAh STL18650 dengan kadar pengecasan 0.5C, kemudian nyahcasnya dengan kadar nyahcas 1.0C sehingga voltan bateri ialah 0C. Kemudian bateri yang diletakkan dalam 0V dibahagikan kepada dua kumpulan: satu kumpulan disimpan selama 7 hari, kumpulan lain disimpan selama 30 hari; Selepas storan tamat tempoh, ia diisi dengan kadar pengecasan 0.5C, dan kemudian dilepaskan dengan 1.0C. Akhirnya, perbezaan antara dua tempoh penyimpanan voltan sifar dibandingkan.
Keputusan ujian ialah selepas 7 hari penyimpanan voltan sifar, bateri tidak mempunyai kebocoran, prestasi yang baik, dan kapasiti adalah 100%; Selepas 30 hari penyimpanan, tiada kebocoran, prestasi yang baik, kapasiti 98%; Selepas 30 hari penyimpanan, bateri dicas dan dinyahcas untuk 3 kitaran lagi, dan kapasiti dipulihkan kepada 100%.
Ujian ini menunjukkan bahawa walaupun bateri litium besi fosfat telah dinyahcas (walaupun ke 0V), dan disimpan untuk masa tertentu, bateri tidak akan bocor dan rosak. Ini adalah ciri yang tidak ada pada jenis bateri lithium-ion yang lain.
Kelebihan
1. Peningkatan prestasi keselamatan
Ikatan PO dalam kristal fosfat besi litium adalah stabil dan sukar untuk terurai, walaupun pada suhu tinggi atau caj berlebihan, ia tidak akan runtuh dan memanaskan atau membentuk bahan pengoksidaan yang kuat seperti litium kobalt oksida, jadi ia mempunyai keselamatan yang baik. Telah dilaporkan bahawa sebahagian kecil sampel didapati terbakar dalam operasi sebenar jarum atau eksperimen litar pintas, tetapi tiada kejadian letupan, dan eksperimen cas berlebihan menggunakan cas voltan tinggi yang jauh melebihi pelepasan diri. voltan beberapa kali, dan didapati masih terdapat letupan. Walau bagaimanapun, keselamatan cas berlebihannya telah bertambah baik berbanding dengan bateri litium kobalt oksida elektrolit cecair biasa.
2. Peningkatan kehidupan
Bateri litium besi fosfat ialah bateri ion litium menggunakan fosfat besi litium sebagai bahan elektrod positif.
Hayat kitaran bateri asid plumbum yang tahan lama ialah kira-kira 300 kali dan maksimum ialah 500 kali, manakala bateri kuasa litium besi fosfat mempunyai hayat kitaran lebih daripada 2000 kali, dan cas standard ({{5} }kadar jam) boleh digunakan untuk 2000 kali. Bateri asid plumbum kualiti yang sama ialah "setengah tahun baru, setengah tahun lama, penyelenggaraan dan penyelenggaraan selama setengah tahun lagi", paling lama 1 hingga 1.5 tahun, dan bateri fosfat besi litium digunakan di bawah keadaan yang sama, teorinya. hayat akan mencecah 7 hingga 8 tahun. Pertimbangan keseluruhan, nisbah harga prestasi adalah lebih daripada 4 kali ganda berbanding bateri asid plumbum secara teori. Nyahcas arus tinggi boleh menjadi cas dan nyahcas pantas 2C arus tinggi, di bawah pengecas khas, pengecasan 1.5C boleh dicas sepenuhnya dalam masa 40 minit, arus mula sehingga 2C, dan bateri asid plumbum tidak mempunyai prestasi ini.
3. Prestasi suhu tinggi yang baik
Nilai puncak litium besi fosfat boleh mencapai 350 darjah -500 darjah, manakala litium manganat dan litium kobaltat hanya kira-kira 200 darjah. Julat suhu operasi adalah luas (-20C-- 75C), dan puncak elektrik litium besi fosfat boleh mencapai 350 darjah -500 darjah, manakala asid litium mangan dan asid litium kobalt hanya kira-kira 200 darjah.
4. kapasiti besar
Bateri selalunya berfungsi dalam keadaan ia penuh dan tidak dilepaskan, dan kapasiti akan cepat lebih rendah daripada nilai kapasiti undian, yang dipanggil kesan ingatan. Seperti hidrida nikel-logam, bateri nikel-kadmium mempunyai ingatan, dan bateri fosfat besi litium tidak mempunyai fenomena ini, tidak kira dalam keadaan apa pun bateri, ia boleh digunakan dengan pengecasan, tanpa meletakkan terlebih dahulu dan kemudian mengecas.
6. Berat ringan
Isipadu dan berat bateri litium besi fosfat dengan kapasiti yang sama ialah 2/3 daripada isipadu dan 1/3 daripada berat bateri asid plumbum.
7. Perlindungan Alam Sekitar
Bateri litium besi fosfat biasanya dianggap bebas daripada sebarang logam berat dan logam nadir (bateri hidrida logam nikel memerlukan logam jarang), tidak toksik (pensijilan SGS), bebas pencemaran, selaras dengan peraturan RoHS Eropah, untuk hijau mutlak sijil bateri. Oleh itu, sebab mengapa bateri litium optimis oleh industri adalah terutamanya pertimbangan perlindungan alam sekitar, jadi bateri telah dimasukkan dalam rancangan pembangunan teknologi tinggi negara "863" semasa tempoh "Rancangan Lima Tahun Kesepuluh", dan telah menjadi projek utama negara untuk menyokong dan menggalakkan pembangunan. Dengan penyertaan China ke WTO, jumlah eksport basikal elektrik China akan meningkat dengan pesat, dan basikal elektrik yang memasuki Eropah dan Amerika Syarikat telah dikehendaki dilengkapi dengan bateri bebas pencemaran.
Walau bagaimanapun, sesetengah pakar mengatakan bahawa pencemaran alam sekitar yang disebabkan oleh bateri asid plumbum terutamanya berlaku dalam proses pengeluaran bukan standard dan proses kitar semula perusahaan. Begitu juga, bateri litium tergolong dalam industri tenaga baru yang baik, tetapi ia tidak dapat mengelakkan masalah pencemaran logam berat. Plumbum, arsenik, kadmium, merkuri, kromium, dsb. dalam pemprosesan bahan logam boleh dilepaskan ke dalam habuk dan air. Bateri itu sendiri adalah bahan kimia, jadi adalah mungkin untuk menghasilkan dua jenis pencemaran: satu ialah pencemaran sisa proses dalam projek pengeluaran; Yang kedua ialah pencemaran bateri selepas dibuang.
Bateri fosfat besi litium juga mempunyai kelemahannya: seperti prestasi suhu rendah yang lemah, ketumpatan getaran bahan positif yang kecil, jumlah bateri fosfat besi litium dengan kapasiti yang sama adalah lebih besar daripada bateri ion litium seperti asid litium kobalt, jadi ia tidak mempunyai kelebihan dari segi bateri mikro. Apabila digunakan dalam bateri kuasa, bateri litium besi fosfat, seperti bateri lain, perlu menghadapi masalah konsistensi bateri.
kekurangan
Sama ada sesuatu bahan itu berpotensi untuk pembangunan aplikasi, selain memfokuskan pada kelebihannya, perkara yang lebih kritikal ialah sama ada bahan itu mempunyai kecacatan asas.
China kini secara amnya memilih litium besi fosfat sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium-ion kuasa, daripada kerajaan, institusi penyelidikan saintifik, perusahaan dan juga syarikat sekuriti dan penganalisis pasaran lain optimis tentang bahan ini, sebagai pembangunan bateri litium-ion kuasa arah tuju. Alasannya adalah seperti berikut: Pertama, dipengaruhi oleh hala tuju penyelidikan dan pembangunan Amerika Syarikat, syarikat Valence dan A123 di Amerika Syarikat adalah yang pertama menggunakan fosfat besi litium sebagai bahan elektrod positif bateri litium-ion. Kedua, belum ada penyediaan domestik bahan litium manganat dengan sifat berbasikal dan penyimpanan suhu tinggi yang baik untuk bateri litium-ion berkuasa. Walau bagaimanapun, litium besi fosfat juga mempunyai kecacatan asas yang tidak boleh diabaikan, yang boleh diringkaskan seperti berikut:
1. Dalam proses pensinteran penyediaan fosfat besi litium, oksida besi mempunyai kemungkinan dikurangkan kepada unsur besi dalam suasana pengurangan suhu tinggi. Besi unsur boleh menyebabkan litar pintas mikro pada bateri dan merupakan bahan yang paling tabu dalam bateri. Ini juga merupakan sebab utama mengapa Jepun tidak menggunakan bahan ini sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium-ion kuasa.
2. fosfat besi litium mempunyai beberapa kecacatan prestasi, seperti ketumpatan getaran dan ketumpatan pemadatan adalah sangat rendah, menyebabkan ketumpatan tenaga rendah bateri litium-ion. Prestasi suhu rendah adalah lemah, malah lapisan nano dan karbon tidak menyelesaikan masalah ini. Dr Don Hillebrand, pengarah Pusat Sistem Penyimpanan Tenaga di Makmal Kebangsaan Argonne di Amerika Syarikat, apabila bercakap tentang prestasi suhu rendah bateri litium besi fosfat, beliau menggunakan dahsyat untuk menggambarkan keputusan ujian bateri lithium ion fosfat besi litium menunjukkan bahawa bateri litium besi fosfat pada suhu rendah (di bawah 0 darjah C) tidak boleh membuat kenderaan elektrik berjalan. Walaupun sesetengah pengeluar mendakwa bahawa kadar pengekalan kapasiti bateri litium besi fosfat adalah baik pada suhu rendah, ia adalah dalam kes arus nyahcas kecil dan voltan potong nyahcas rendah. Dalam kes ini, peranti tidak akan mula berfungsi sama sekali.
3. Kos penyediaan bahan dan kos pembuatan bateri lebih tinggi, hasil bateri rendah, dan konsistensinya kurang baik. Nanometer dan salutan karbon fosfat besi litium meningkatkan prestasi elektrokimia bahan, tetapi juga membawa masalah lain, seperti ketumpatan tenaga yang berkurangan, peningkatan kos sintesis, prestasi pemprosesan elektrod yang lemah dan keperluan alam sekitar yang keras. Walaupun unsur kimia Li, Fe dan P dalam fosfat besi litium sangat kaya, dan kosnya rendah, kos produk fosfat besi litium yang disediakan tidak rendah, walaupun kos penyelidikan dan pembangunan awal dikeluarkan, kos proses bahan ditambah kos penyediaan bateri yang tinggi akan menjadikan kos penyimpanan tenaga unit akhir lebih tinggi.
4. Konsistensi produk yang lemah. Pada masa ini, tiada kilang bahan fosfat besi litium di China untuk menyelesaikan masalah ini. Dari sudut pandangan penyediaan bahan, sintesis fosfat besi litium adalah tindak balas berbilang fasa yang kompleks, dengan fosfat fasa pepejal, oksida besi dan garam litium, ditambah prekursor karbon dan fasa pengurangan gas. Dalam proses tindak balas yang kompleks ini, sukar untuk memastikan konsistensi tindak balas.
5. Isu harta intelek. Pada masa ini, paten asas untuk fosfat besi litium dimiliki oleh Universiti Texas, manakala paten salutan karbon digunakan oleh orang Kanada. Kedua-dua paten asas ini tidak boleh dipintas, jika kos royalti dikira, kos produk akan dinaikkan lagi.
Di samping itu, daripada pengalaman penyelidikan dan pembangunan serta pengeluaran bateri litium-ion, Jepun ialah negara pertama yang mengkomersialkan bateri litium-ion, dan sentiasa menduduki pasaran bateri litium-ion mewah. Walaupun Amerika Syarikat mendahului dalam beberapa penyelidikan asas, ia tidak mempunyai pengeluar bateri litium-ion yang besar setakat ini. Oleh itu, adalah lebih munasabah bagi Jepun untuk memilih litium manganat yang diubah suai sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium-ion dinamik. Malah di Amerika Syarikat, penggunaan litium besi fosfat dan litium manganat sebagai pengeluar bahan katod bateri lithium-ion kuasa adalah sama dibahagikan, dan kerajaan persekutuan juga menyokong pembangunan kedua-dua sistem. Memandangkan masalah di atas yang wujud dalam fosfat besi litium, sukar untuk digunakan secara meluas sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium-ion kuasa dalam bidang seperti kenderaan tenaga baru. Jika kita boleh menyelesaikan masalah prestasi berbasikal suhu tinggi dan penyimpanan litium manganat yang lemah, dengan kelebihan kos rendah dan prestasi kadar tinggi, ia akan mempunyai potensi besar dalam penggunaan bateri litium-ion dinamik.
