Пълното име на литиево-желязо-фосфатната батерия е литиево-желязо-фосфатна литиево-йонна батерия, това име е твърде дълго, наричана литиево-желязо-фосфатна батерия. Тъй като неговата производителност е особено подходяща за захранващи приложения, думата "мощност" е добавена към името, т.е. литиево-желязо-фосфатна батерия. Някои хора също го наричат „литиево-желязна (LiFe) захранваща батерия“.
Принцип на работа
Батерията с литиево-железен фосфат се отнася до литиево-йонна батерия, използваща литиево-железен фосфат като положителен електроден материал. Основните катодни материали на литиево-йонните батерии са литиев кобалт, литиев манганат, литиев никел, трикомпонентни материали, литиево-железен фосфат и др. Литиевият кобалтат е анодният материал, използван в повечето литиево-йонни батерии.
значимост
На пазара за търговия с метали кобалтът (Co) е най-скъпият и има малко съхранение, никелът (Ni) и манганът (Mn) са по-евтини, а желязото (Fe) има повече съхранение. Цената на анодния материал също е съобразена с цената на тези метали. Следователно литиево-йонните батерии, изработени от LiFePO4 катодни материали, трябва да бъдат доста евтини. Друга негова характеристика е липсата на замърсяване на околната среда.
Като акумулаторна батерия изискванията са: висок капацитет, високо изходно напрежение, добра производителност на цикъла на зареждане-разреждане, стабилно изходно напрежение, висок ток на зареждане-разреждане, електрохимична стабилност, безопасност при употреба (няма да причини изгаряне или експлозия поради неправилна работа като презареждане, преразреждане и късо съединение), широк работен температурен диапазон, нетоксичен или по-малко токсичен, без замърсяване на околната среда. Литиево-железни фосфатни батерии, използващи LiFePO4 като положителен електрод, са добри при тези изисквания за производителност, особено при разреждане с голяма скорост на разреждане (5 ~ 10C разреждане), стабилно напрежение на разреждане, безопасност (без изгаряне, без експлозия), живот (брой цикли), и без замърсяване на околната среда, това е най-доброто, в момента е най-добрата батерия с изходна мощност с голям ток.
Устройство и принцип на работа
LiFePO4, като положителен електрод на батерията, е свързан с алуминиево фолио към положителния електрод на батерията. В средата има полимерна диафрагма, която разделя положителния електрод от отрицателния електрод, но литиевият йон Li може да премине през нея, а електронът e- не може да премине през нея. Вдясно е отрицателният електрод на батерията, съставен от въглерод (графит), който е свързан с отрицателния електрод на батерията чрез медно фолио. Между горния и долния край на батерията е електролитът на батерията, а батерията е запечатана от метална обвивка.
Когато LiFePO4 батерията е заредена, литиево-йонният Li в положителния електрод мигрира към отрицателния електрод през полимерната диафрагма; По време на процеса на разреждане литиевият йон Li в отрицателния електрод мигрира през диафрагмата към положителния електрод. Литиево-йонните батерии са наречени, защото литиевите йони мигрират напред-назад, докато се зареждат и разреждат.
Основно изпълнение
Номиналното напрежение на батерията LiFePO4 е 3,2 V, напрежението на крайния заряд е 3,6 V, а напрежението на крайния разряд е 2.0V. Поради различното качество и процес на положителни и отрицателни електродни материали и електролитни материали, използвани от различни производители, тяхната производителност ще бъде малко по-различна. Например, един и същ модел (същият пакет стандартна батерия), капацитетът на батерията му има голяма разлика (10% до 20%).
Тук трябва да се отбележи, че има някои разлики в параметрите на производителността на батериите с литиево-железен фосфат, произведени от различни фабрики; Освен това има някои характеристики на батерията, които не са включени, като вътрешно съпротивление на батерията, скорост на саморазреждане, температура на зареждане и разреждане.
Капацитетът на батериите с литиево-железен фосфат е много различен и може да бъде разделен на три категории: малки десети до няколко милиампера, средни десетки милиампера и големи стотици милиампера. Има и някои разлики в едни и същи параметри на различните видове батерии.
Тест за свръхразряд до нулево напрежение:
Беше извършен тест за разреждане до нулево напрежение на STL18650(1100mAh) захранваща батерия с литиево-железен фосфат. Условия на теста: Заредете батерията от 1100mAh STL18650 със скорост на зареждане 0,5C и след това я разредете със скорост на разреждане 1,0C, докато напрежението на батерията стане 0C. След това батериите поставени в 0V се разделят на две групи: едната група се съхранява 7 дни, другата група се съхранява 30 дни; След изтичане на срока на съхранение, той се пълни с 0,5C скорост на зареждане и след това се разрежда с 1,0C. Накрая се сравнява разликата между двата периода на съхранение при нулево напрежение.
Резултатът от теста е, че след 7 дни съхранение при нулево напрежение батерията няма изтичане, добра производителност и капацитетът е 100%; След 30 дни съхранение, без изтичане, добра производителност, капацитет от 98%; След 30 дни съхранение батерията се зарежда и разрежда за още 3 цикъла и капацитетът се възстановява до 100%.
Този тест показва, че дори ако литиево-железно-фосфатната батерия е била разредена (дори до 0V) и съхранявана за определено време, батерията няма да протече и да се повреди. Това е функция, която другите видове литиево-йонни батерии нямат.
Предимство
1. Подобряване на показателите за безопасност
PO връзката в литиево-железния фосфатен кристал е стабилна и трудна за разграждане, дори при висока температура или презареждане, тя няма да се срути и нагрее или да образува силни окислителни вещества като литиев кобалтов оксид, така че има добра безопасност. Беше съобщено, че е установено, че малка част от пробата е изгоряла при действителната работа на иглата или експеримента с късо съединение, но не е имало експлозия и експериментът с презареждане е използвал заряд с високо напрежение, което значително надвишава саморазряда напрежение няколко пъти и се установи, че все пак има взрив. Въпреки това, неговата безопасност при презареждане е значително подобрена в сравнение с обикновените батерии с течен електролит литиево-кобалтов оксид.
2. Подобряването на живота
Литиево-железно-фосфатната батерия е литиево-йонна батерия, използваща литиево-железен фосфат като положителен електроден материал.
Животът на цикъла на дълготрайната оловно-киселинна батерия е около 300 пъти, а максимумът е 500 пъти, докато захранващата батерия с литиево-железен фосфат има живот на цикъл повече от 2000 пъти и стандартното зареждане ({{5} }часова ставка) може да се използва 2000 пъти. Оловно-киселинната батерия със същото качество е „нова половин година, стара половин година, поддръжка и поддръжка за още половин година“, най-много 1 до 1,5 години, а литиево-железните фосфатни батерии се използват при същите условия, теоретичната животът ще достигне 7 до 8 години. Като цяло съотношението производителност и цена е повече от 4 пъти по-голямо от това на оловно-киселинните батерии на теория. Разрядът с висок ток може да бъде висок ток 2C бързо зареждане и разреждане, при специалното зарядно устройство, зареждането от 1,5C може да бъде напълно заредено в рамките на 40 минути, стартов ток до 2C, а оловно-киселинните батерии нямат тази производителност.
3. Добра производителност при висока температура
Пиковата стойност на литиево-железния фосфат може да достигне 350 градуса -500 градуса, докато литиевият манганат и литиевият кобалтат са само около 200 градуса. Работният температурен диапазон е широк (-20C-- 75C), а електрическият пик на литиево-железния фосфат може да достигне 350 градуса -500 градуса, докато литиево-манганова киселина и литиево-кобалтова киселина са само около 200 градуса.
4. Голям капацитет
Батериите често работят при условие, че са пълни и не са разредени, и капацитетът бързо ще бъде по-нисък от номиналната стойност на капацитета, което се нарича ефект на паметта. Подобно на никел-метал-хидридните, никел-кадмиевите батерии имат памет, а литиево-железните фосфатни нямат това явление, без значение в какво състояние е батерията, тя може да се използва със зареждане, без първо да се поставя и след това да се зарежда.
6. Леко тегло
Обемът и теглото на литиево-железно-фосфатна батерия със същия капацитет е 2/3 от обема и 1/3 от теглото на оловно-киселинна батерия.
7. Опазване на околната среда
Обикновено се счита, че литиево-железно-фосфатните батерии не съдържат никакви тежки метали и редки метали (никел-метал-хидридните батерии се нуждаят от редки метали), нетоксични (SGS сертификат), без замърсяване, в съответствие с европейските регламенти RoHS, за абсолютно зелено сертификат за батерия. Следователно причината, поради която литиевите батерии са оптимисти от индустрията, е главно съображения за опазване на околната среда, така че батерията е включена в "863" националния план за високотехнологично развитие през периода на "Десетия петгодишен план", и се превърна в национален ключов проект за подкрепа и насърчаване на развитието. С присъединяването на Китай към СТО, обемът на износа на китайски електрически велосипеди ще се увеличи бързо, а електрическите велосипеди, влизащи в Европа и Съединените щати, трябва да бъдат оборудвани с батерии, които не замърсяват околната среда.
Въпреки това, някои експерти казаха, че замърсяването на околната среда, причинено от оловно-киселинни батерии, възниква главно в нестандартния производствен процес и процеса на рециклиране на предприятията. По същия начин литиевите батерии принадлежат към новата енергийна индустрия е добра, но не може да избегне проблема със замърсяването с тежки метали. Олово, арсен, кадмий, живак, хром и др. при обработката на метални материали могат да се отделят в прах и вода. Самата батерия е химическо вещество, така че е възможно да се произведат два вида замърсяване: едното е замърсяването с отпадъци от процеса в производствения проект; Второто е замърсяването на батерията след бракуване.
Литиево-железно-фосфатните батерии също имат своите недостатъци: като лоша производителност при ниски температури, малка положителна плътност на вибрациите на материала, обемът на литиево-железно-фосфатните батерии със същия капацитет е по-голям от литиево-йонните батерии като литиево-кобалтова киселина, така че няма предимство по отношение на микробатериите. Когато се използват в захранващи батерии, литиево-железните фосфатни батерии, подобно на други батерии, трябва да се сблъскат с проблеми с консистенцията на батерията.
Недостатък
Дали даден материал има потенциал за разработване на приложения, в допълнение към фокусирането върху предимствата му, по-критично е дали материалът има основни дефекти.
Сега Китай като цяло избира литиево-железен фосфат като положителен електроден материал за захранване на литиево-йонни батерии, от правителството, научноизследователски институции, предприятия и дори компании за ценни книжа и други пазарни анализатори са оптимисти за този материал, като развитие на мощността на литиево-йонна батерия посока. Основно причините са следните: Първо, засегнати от посоката на изследване и развитие на Съединените щати, компаниите Valence и A123 в Съединените щати бяха първите, които използваха литиево-железен фосфат като положителен електроден материал на литиево-йонни батерии. Второ, не е имало вътрешно производство на литиево-манганатни материали с добри свойства за цикличност и съхранение при висока температура за захранващи литиево-йонни батерии. Въпреки това, литиево-железният фосфат също има фундаментални дефекти, които не могат да бъдат пренебрегнати, които могат да бъдат обобщени, както следва:
1. В процеса на синтероване на получаване на литиево-железен фосфат, железният оксид има възможност да бъде редуциран до елементарно желязо в редуцираща атмосфера с висока температура. Елементарното желязо може да причини микрокъсо съединение на батерията и е най-табу веществото в батерията. Това е и основната причина, поради която Япония не е използвала този материал като положителен електроден материал за захранващи литиево-йонни батерии.
2. литиево-железният фосфат има някои дефекти в производителността, като например плътността на вибрациите и плътността на уплътняване е много ниска, което води до ниска енергийна плътност на литиево-йонните батерии. Представянето при ниска температура е лошо, дори нано и въглеродното покритие не реши този проблем. Д-р Дон Хилебранд, директор на Центъра за системи за съхранение на енергия в Националната лаборатория Аргон в Съединените щати, когато говори за ниските температури на литиево-железно-фосфатните батерии, той използва ужасно, за да опише резултатите от теста на литиево-железно-фосфатните литиево-йонни батерии, показани че литиево-железно-фосфатните батерии при ниски температури (под 0 градуса C) не могат да накарат електрическите превозни средства да работят. Въпреки че някои производители твърдят, че степента на запазване на капацитета на литиево-железните фосфатни батерии е добра при ниски температури, това е в случай на малък разряден ток и ниско разрядно напрежение на прекъсване. В този случай устройството изобщо няма да започне да работи.
3. Разходите за подготовка на материала и разходите за производство на батерията са по-високи, капацитетът на батерията е нисък и консистенцията е лоша. Нанометърът и въглеродното покритие от литиево-железен фосфат подобряват електрохимичните характеристики на материала, но също така носят други проблеми, като намалена енергийна плътност, увеличени разходи за синтез, лоша производителност на обработка на електроди и сурови екологични изисквания. Въпреки че химичните елементи Li, Fe и P в литиево-железния фосфат са много богати и цената е ниска, приготвената цена на продукта от литиево-железен фосфат не е ниска, дори ако разходите за ранно изследване и развитие бъдат премахнати, цената на процеса на материал плюс високата цена за подготовка на батерията ще направи крайната единица цена за съхранение на енергия по-висока.
4. Лоша консистенция на продукта. Понастоящем в Китай няма фабрика за литиево-железни фосфатни материали, която да реши този проблем. От гледна точка на подготовката на материала, синтезът на литиево-железен фосфат е сложна многофазова реакция с твърдофазов фосфат, железен оксид и литиева сол, плюс въглероден прекурсор и редуцираща газова фаза. В този сложен реакционен процес е трудно да се осигури последователност на реакцията.
5. Въпроси на интелектуалната собственост. В момента основният патент за литиево-железен фосфат е собственост на Тексаския университет, докато патентът за въглеродно покритие се прилага от канадци. Тези два основни патента не могат да бъдат заобиколени, ако се изчисли цената на роялти, цената на продукта ще бъде допълнително увеличена.
В допълнение, от опита на изследванията и развитието и производството на литиево-йонни батерии, Япония е първата страна, която комерсиализира литиево-йонни батерии и винаги е заемала пазара на литиево-йонни батерии от висок клас. Въпреки че Съединените щати водят в някои фундаментални изследвания, досега нямат голям производител на литиево-йонни батерии. Следователно за Япония е по-разумно да избере модифициран литиев манганат като положителен електроден материал за динамични литиево-йонни батерии. Дори в Съединените щати употребата на литиево-железен фосфат и литиев манганат като мощност производителите на катодни материали за литиево-йонни батерии са еднакво разделени и федералното правителство също подкрепя развитието на двете системи. С оглед на горните проблеми, съществуващи в литиево-железния фосфат, е трудно да се използва широко като материал за положителен електрод за захранване на литиево-йонни батерии в области като нови енергийни превозни средства. Ако успеем да разрешим проблема с лошите високотемпературни цикли и характеристики на съхранение на литиев манганат, с неговите предимства на ниска цена и висока производителност, той ще има голям потенциал при прилагането на динамични литиево-йонни батерии.
