Det fulle navnet på litiumjernfosfatbatteri er litiumjernfosfatlitiumionbatteri, dette navnet er for langt, referert til som litiumjernfosfatbatteri. Fordi ytelsen er spesielt egnet for strømapplikasjoner, er ordet "strøm" lagt til navnet, det vil si litiumjernfosfatbatteri. Noen kaller det også et "litiumjern (LiFe) batteri."
Arbeidsprinsipp
Litiumjernfosfatbatteri refererer til et litiumionbatteri som bruker litiumjernfosfat som et positivt elektrodemateriale. De viktigste katodematerialene til litiumionbatterier er litiumkobolt, litiummanganat, litiumnikkel, ternære materialer, litiumjernfosfat og så videre. Litiumkoboltat er anodematerialet som brukes i de fleste litiumionbatterier.
betydning
I metallhandelsmarkedet er kobolt (Co) den dyreste og har lite lagring, nikkel (Ni) og mangan (Mn) er billigere, og jern (Fe) har mer lagring. Prisen på anodematerialet er også på linje med prisen på disse metallene. Derfor bør litium-ion-batterier laget av LiFePO4 katodematerialer være ganske billige. Et annet trekk ved det er ingen forurensning av miljøet.
Som et oppladbart batteri er kravene: høy kapasitet, høy utgangsspenning, god lade-utladningssyklusytelse, stabil utgangsspenning, høystrøm lade-utladning, elektrokjemisk stabilitet, sikkerhet ved bruk (vil ikke forårsake forbrenning eller eksplosjon på grunn av feil drift som overlading, overutladning og kortslutning), bredt driftstemperaturområde, ikke-giftig eller mindre giftig, ingen forurensning til miljøet. Litiumjernfosfatbatterier som bruker LiFePO4 som en positiv elektrode er gode i disse ytelseskravene, spesielt ved utladning med høy utladningshastighet (5 ~ 10C utladning), stabil utladningsspenning, sikkerhet (ingen forbrenning, ingen eksplosjon), levetid (antall sykluser), og ingen forurensning til miljøet, det er den beste, er for tiden den beste høystrøm utgangseffekt batteri.
Struktur og arbeidsprinsipp
LiFePO4, som den positive elektroden til batteriet, er koblet med aluminiumsfolie til den positive elektroden på batteriet. I midten er en polymermembran, som skiller den positive elektroden fra den negative elektroden, men litiumion Li kan passere og elektron e- kan ikke passere gjennom. Til høyre er den negative elektroden til batteriet sammensatt av karbon (grafitt), som er forbundet med den negative elektroden på batteriet med kobberfolie. Mellom den øvre og nedre enden av batteriet er elektrolytten til batteriet, og batteriet er forseglet av et metallskall.
Når LiFePO4-batteriet lades, migrerer litiumion-Li i den positive elektroden til den negative elektroden gjennom polymermembranen; Under utladningsprosessen migrerer litiumionet Li i den negative elektroden gjennom diafragmaen til den positive elektroden. Litium-ion-batterier er navngitt fordi litiumioner migrerer frem og tilbake når de lades og utlades.
Hovedytelse
Den nominelle spenningen til LiFePO4-batteriet er 3,2V, termineringsladespenningen er 3,6V, og termineringsutladningsspenningen er 2,0V. På grunn av den forskjellige kvaliteten og prosessen til de positive og negative elektrodematerialene og elektrolyttmaterialene som brukes av forskjellige produsenter, vil ytelsen deres være noe annerledes. For eksempel, den samme modellen (den samme pakken med standard batteri), batterikapasiteten har en stor forskjell (10% til 20%).
Det skal bemerkes her at det er noen forskjeller i ytelsesparametrene til litiumjernfosfatbatterier produsert av forskjellige fabrikker; I tillegg er det noen batteriytelse som ikke er inkludert, for eksempel batteri intern motstand, selvutladingshastighet, lading og utladningstemperatur.
Kapasiteten til batterier med litiumjernfosfat er svært forskjellig, og kan deles inn i tre kategorier: små tideler til noen få milliampere, mellomstore titalls milliampere og store hundrevis av milliampere. Det er også noen forskjeller i de samme parameterne for forskjellige typer batterier.
Overutlading til null spenningstest:
Utladningstesten til null spenning av STL18650(1100mAh) litiumjernfosfatbatteri ble utført. Testforhold: Lad 1100mAh STL18650-batteriet med 0,5C ladehastighet, og utlad det deretter med 1,0C utladingshastighet til batterispenningen er 0C. Deretter er batteriene plassert i 0V delt inn i to grupper: en gruppe lagres i 7 dager, den andre gruppen lagres i 30 dager; Etter at lagringen utløper, fylles den med 0,5C ladehastighet, og tømmes deretter med 1,0C. Til slutt sammenlignes forskjellen mellom de to nullspenningslagringsperiodene.
Resultatet av testen er at etter 7 dager med nullspenningslagring har batteriet ingen lekkasje, god ytelse og kapasiteten er 100%; Etter 30 dagers lagring, ingen lekkasje, god ytelse, kapasitet på 98%; Etter 30 dagers lagring lades og utlades batteriet i ytterligere 3 sykluser, og kapasiteten gjenopprettes til 100 %.
Denne testen viser at selv om litiumjernfosfatbatteriet er utladet (selv til 0V) og lagret i en viss tid, vil ikke batteriet lekke og skade. Dette er en funksjon som andre typer litium-ion-batterier ikke har.
Fordel
1. Forbedring av sikkerhetsytelsen
PO-bindingen i litiumjernfosfatkrystall er stabil og vanskelig å dekomponere, selv ved høy temperatur eller overlading, den vil ikke kollapse og varme eller danne sterke oksiderende stoffer som litiumkoboltoksid, så den har god sikkerhet. Det har blitt rapportert at en liten del av prøven ble funnet å brenne i selve operasjonen av nål- eller kortslutningseksperimentet, men det var ingen eksplosjonshendelse, og overladingseksperimentet brukte en høyspentladning som i stor grad oversteg selvutladningen spenning flere ganger, og det ble funnet at det fortsatt var en eksplosjon. Imidlertid er overladingssikkerheten betydelig forbedret sammenlignet med vanlige flytende elektrolyttlitium-koboltoksid-batterier.
2. Forbedring av livet
Litiumjernfosfatbatteri er et litiumionbatteri som bruker litiumjernfosfat som et positivt elektrodemateriale.
Sykluslevetiden til det langtidsholdbare blysyrebatteriet er omtrent 300 ganger, og maksimum er 500 ganger, mens litiumjernfosfatbatteriet har en sykluslevetid på mer enn 2000 ganger, og standardladingen ({{5} }timepris) kan brukes 2000 ganger. Blybatteri av samme kvalitet er "nytt et halvt år, gammelt et halvt år, vedlikehold og vedlikehold i ytterligere et halvt år", maks 1 til 1,5 år, og litiumjernfosfatbatterier brukes under de samme forholdene, den teoretiske livet vil nå 7 til 8 år. Totalt sett er ytelsesprisforholdet mer enn 4 ganger høyere enn for bly-syre-batterier i teorien. Høy strømutladning kan være høystrøm 2C hurtiglading og utlading, under spesialladeren kan 1,5C lading lades helt opp innen 40 minutter, startstrøm opp til 2C, og blybatterier har ikke denne ytelsen.
3. God ytelse ved høy temperatur
Toppverdien av litiumjernfosfat kan nå 350 grader -500 grader, mens litiummanganat og litiumkoboltat bare er rundt 200 grader. Driftstemperaturområdet er bredt (-20C-- 75C), og den elektriske toppen av litiumjernfosfat kan nå 350 grader -500 grader, mens litiummangansyre og litiumkoboltsyre bare er ca 200 grader.
4. Stor kapasitet
Batterier fungerer ofte under forutsetning av at de er fulle og ikke utladet, og kapasiteten vil fort bli lavere enn den nominelle kapasitetsverdien, som kalles minneeffekten. I likhet med nikkel-metallhydrid, har nikkel-kadmium-batterier minne, og litiumjernfosfatbatterier har ikke dette fenomenet, uansett hvilken tilstand batteriet er i, kan det brukes med ladingen, uten først å plassere og deretter lade.
6. Lett vekt
Volumet og vekten til et litiumjernfosfatbatteri med samme kapasitet er 2/3 av volumet og 1/3 av vekten til et blybatteri.
7. Miljøvern
Litiumjernfosfatbatterier anses generelt for å være fri for tungmetaller og sjeldne metaller (nikkelmetallhydridbatterier trenger sjeldne metaller), giftfrie (SGS-sertifisering), forurensningsfrie, i tråd med europeiske RoHS-forskrifter, for det absolutte grønne batterisertifikat. Derfor er grunnen til at litiumbatterier er optimistiske av industrien hovedsakelig miljøvernhensyn, så batteriet har blitt inkludert i den "863" nasjonale høyteknologiske utviklingsplanen i løpet av den "tiende femårsplanen"-perioden, og har blitt et nasjonalt nøkkelprosjekt for å støtte og oppmuntre til utvikling. Med Kinas inntreden i WTO vil eksportvolumet av Kinas elektriske sykler øke raskt, og elektriske sykler som kommer inn i Europa og USA har blitt pålagt å være utstyrt med forurensningsfrie batterier.
Noen eksperter sa imidlertid at miljøforurensning forårsaket av blysyrebatterier hovedsakelig forekommer i den ikke-standardiserte produksjonsprosessen og resirkuleringsprosessen til bedrifter. Tilsvarende litiumbatterier tilhører den nye energiindustrien er bra, men det kan ikke unngå problemet med tungmetallforurensning. Bly, arsen, kadmium, kvikksølv, krom osv. ved bearbeiding av metallmaterialer kan frigjøres til støv og vann. Batteriet i seg selv er et kjemisk stoff, så det er mulig å produsere to typer forurensning: den ene er prosessavfallsforurensningen i produksjonsprosjektet; Den andre er batteriforurensningen etter skroting.
Litiumjernfosfatbatterier har også sine ulemper: for eksempel dårlig lavtemperaturytelse, liten positiv materialvibrasjonstetthet, volumet av litiumjernfosfatbatterier med samme kapasitet er større enn litiumionbatterier som litiumkoboltsyre, så det har ikke en fordel med tanke på mikrobatterier. Når de brukes i strømbatterier, må litiumjernfosfatbatterier, som andre batterier, møte problemer med batteriets konsistens.
Mangel
Om et materiale har potensial for applikasjonsutvikling, i tillegg til å fokusere på dets fordeler, er det mer kritiske om materialet har grunnleggende defekter.
Kina velger nå generelt litiumjernfosfat som et positivt elektrodemateriale for kraftlitiumionbatterier, fra regjeringen, vitenskapelige forskningsinstitusjoner, bedrifter og til og med verdipapirselskaper og andre markedsanalytikere er optimistiske om dette materialet, som et kraftlitiumionbatteriutvikling retning. Årsakene er hovedsakelig som følger: For det første, påvirket av forsknings- og utviklingsretningen til USA, var Valence og A123-selskapene i USA de første som brukte litiumjernfosfat som det positive elektrodematerialet til litiumionbatterier. For det andre har det ikke vært noen innenlands tilberedning av litiummanganatmaterialer med gode høytemperatur-sykling- og lagringsegenskaper for kraftlitium-ion-batterier. Litiumjernfosfat har imidlertid også grunnleggende defekter som ikke kan ignoreres, som kan oppsummeres som følger:
1. I sintringsprosessen for litiumjernfosfatfremstilling har jernoksid muligheten til å bli redusert til elementært jern i en høytemperaturreduserende atmosfære. Elementært jern kan forårsake en mikrokortslutning av batteriet og er det mest tabubelagte stoffet i batteriet. Dette er også hovedgrunnen til at Japan ikke har brukt dette materialet som et positivt elektrodemateriale for kraftlitium-ion-batterier.
2. litiumjernfosfat har noen ytelsesdefekter, slik som vibrasjonstetthet og komprimeringstettheten er svært lav, noe som resulterer i lav energitetthet for litiumionbatterier. Lavtemperaturytelsen er dårlig, selv nano- og karbonbelegg løste ikke dette problemet. Dr. Don Hillebrand, direktør for Energy Storage System Center ved Argonne National Laboratory i USA, da han snakket om lavtemperaturytelsen til litiumjernfosfatbatterier, brukte han forferdelig for å beskrive testresultatene av litiumjernfosfatlitiumionbatterier viste. at litiumjernfosfatbatterier ved lave temperaturer (under 0 grader C) ikke kan få elektriske kjøretøy til å kjøre. Selv om noen produsenter hevder at kapasitetsretensjonshastigheten til litiumjernfosfatbatterier er god ved lave temperaturer, er det i tilfellet med liten utladningsstrøm og lav utladningssperrespenning. I dette tilfellet vil ikke enheten begynne å fungere i det hele tatt.
3. Forberedelseskostnadene for materialet og produksjonskostnadene for batteriet er høyere, batteriutbyttet er lavt, og konsistensen er dårlig. Nanometer og karbonbelegg av litiumjernfosfat forbedrer den elektrokjemiske ytelsen til materialet, men gir også andre problemer, som redusert energitetthet, økte syntesekostnader, dårlig elektrodebehandlingsytelse og harde miljøkrav. Selv om de kjemiske elementene Li, Fe og P i litiumjernfosfat er veldig rike, og kostnadene er lave, er kostnadene for det tilberedte litiumjernfosfatproduktet ikke lave, selv om de tidlige forsknings- og utviklingskostnadene fjernes, er prosesskostnadene for materiale pluss de høye kostnadene ved å klargjøre batteriet vil gjøre at den endelige enhetens energilagringskostnad er høyere.
4. Dårlig produktkonsistens. For tiden er det ingen litiumjernfosfatmaterialfabrikk i Kina for å løse dette problemet. Fra synspunkt av materialforberedelse er syntesen av litiumjernfosfat en kompleks flerfasereaksjon, med fastfasefosfat, jernoksid og litiumsalt, pluss karbonforløper og reduserende gassfase. I denne komplekse reaksjonsprosessen er det vanskelig å sikre konsistensen av reaksjonen.
5. Immaterielle rettigheter. For tiden eies grunnpatentet for litiumjernfosfat av University of Texas, mens karbonbeleggspatentet brukes av kanadiere. Disse to grunnleggende patentene kan ikke omgås, hvis kostnaden for royalty beregnes, vil kostnaden for produktet økes ytterligere.
I tillegg, fra erfaring med forskning og utvikling og produksjon av litium-ion-batterier, er Japan det første landet som kommersialiserer litium-ion-batterier, og har alltid okkupert det avanserte litium-ion-batterimarkedet. Selv om USA leder i noe grunnleggende forskning, har det ikke en stor produsent av litiumionbatterier så langt. Derfor er det mer rimelig for Japan å velge modifisert litiummanganat som et positivt elektrodemateriale for dynamiske litiumionbatterier. Selv i USA er bruken av litiumjernfosfat og litiummanganat som produsenter av kraftlitium-ion batterikatodematerialer like delt, og den føderale regjeringen støtter også utviklingen av begge systemene. I lys av de ovennevnte problemene som eksisterer i litiumjernfosfat, er det vanskelig å bli mye brukt som et positivt elektrodemateriale for kraftlitiumionbatterier i felt som nye energikjøretøyer. Hvis vi kan løse problemet med dårlig høytemperatursykling og lagringsytelse av litiummanganat, med fordelene med lav pris og høy ytelse, vil det ha et stort potensiale i bruken av dynamiske litiumionbatterier.
