El nombre completo de la batería de fosfato de hierro y litio es batería de iones de litio de fosfato de hierro y litio, este nombre es demasiado largo y se conoce como batería de fosfato de hierro y litio. Debido a que su rendimiento es particularmente adecuado para aplicaciones de energía, se agrega la palabra "potencia" al nombre, es decir, batería de energía de fosfato de hierro y litio. Algunas personas también la llaman "batería de litio y hierro (LiFe)".
Principio de funcionamiento
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. Los principales materiales catódicos de las baterías de iones de litio son el cobalto de litio, el manganato de litio, el níquel de litio, los materiales ternarios, el fosfato de hierro y litio, etc. El cobaltato de litio es el material del ánodo utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio.
significado
En el mercado de comercialización de metales, el cobalto (Co) es el más caro y tiene poco almacenamiento, el níquel (Ni) y el manganeso (Mn) son más baratos y el hierro (Fe) tiene más almacenamiento. El precio del material del ánodo también está en línea con el precio de estos metales. Por lo tanto, las baterías de iones de litio fabricadas con materiales catódicos LiFePO4 deberían ser bastante económicas. Otra característica es que no contamina el medio ambiente.
Como batería recargable, los requisitos son: alta capacidad, alto voltaje de salida, buen rendimiento del ciclo de carga-descarga, voltaje de salida estable, carga-descarga de alta corriente, estabilidad electroquímica, seguridad en el uso (no causará combustión o explosión debido a una operación incorrecta). como sobrecarga, sobredescarga y cortocircuito), amplio rango de temperatura de funcionamiento, no tóxico o menos tóxico, sin contaminación para el medio ambiente. Las baterías de fosfato de hierro y litio que utilizan LiFePO4 como electrodo positivo cumplen con estos requisitos de rendimiento, especialmente en descargas de gran velocidad (descarga de 5 ~ 10 C), voltaje de descarga estable, seguridad (sin combustión, sin explosión), vida útil (número de ciclos), y no contamina el medio ambiente, es la mejor, actualmente es la mejor batería de potencia de salida de alta corriente.
Estructura y principio de funcionamiento.
LiFePO4, como electrodo positivo de la batería, está conectado mediante papel de aluminio al electrodo positivo de la batería. En el medio hay un diafragma de polímero que separa el electrodo positivo del electrodo negativo, pero el ion de litio Li puede atravesarlo y el electrón e- no. A la derecha está el electrodo negativo de la batería compuesto de carbono (grafito), que está conectado con el electrodo negativo de la batería mediante una lámina de cobre. Entre los extremos superior e inferior de la batería se encuentra el electrolito de la batería, y la batería está sellada por una carcasa metálica.
Cuando se carga la batería LiFePO4, el ion de litio Li en el electrodo positivo migra al electrodo negativo a través del diafragma de polímero; Durante el proceso de descarga, el ion litio Li en el electrodo negativo migra a través del diafragma hasta el electrodo positivo. Las baterías de iones de litio reciben su nombre porque los iones de litio migran de un lado a otro a medida que se cargan y descargan.
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 2,0V. Debido a la diferente calidad y proceso de los materiales de los electrodos positivos y negativos y de los electrolitos utilizados por los distintos fabricantes, su rendimiento será algo diferente. Por ejemplo, el mismo modelo (el mismo paquete de batería estándar), la capacidad de su batería tiene una gran diferencia (10% a 20%).
Cabe señalar aquí que existen algunas diferencias en los parámetros de rendimiento de las baterías eléctricas de fosfato de hierro y litio producidas por diferentes fábricas; Además, hay algunos rendimientos de la batería que no están incluidos, como la resistencia interna de la batería, la tasa de autodescarga y la temperatura de carga y descarga.
La capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio es muy diferente y se puede dividir en tres categorías: desde décimas pequeñas hasta unos pocos miliamperios, decenas de miliamperios de tamaño mediano y cientos de miliamperios grandes. También existen algunas diferencias en los mismos parámetros de diferentes tipos de baterías.
Prueba de sobredescarga a voltaje cero:
Se llevó a cabo la prueba de descarga a voltaje cero de la batería de fosfato de hierro y litio STL18650(1100mAh). Condiciones de prueba: cargue la batería STL18650 de 1100mAh con una velocidad de carga de 0,5 C y luego descárguela con una velocidad de descarga de 1,0 C hasta que el voltaje de la batería sea 0 C. Luego las baterías colocadas en 0V se dividen en dos grupos: un grupo se almacena durante 7 días, el otro grupo se almacena durante 30 días; Una vez finalizado el almacenamiento, se llena con una tasa de carga de 0,5 C y luego se descarga con 1,0 C. Finalmente, se compara la diferencia entre los dos períodos de almacenamiento en tensión cero.
El resultado de la prueba es que después de 7 días de almacenamiento sin voltaje, la batería no tiene fugas, tiene buen rendimiento y la capacidad es del 100%; Después de 30 días de almacenamiento, sin fugas, buen rendimiento, capacidad del 98%; Después de 30 días de almacenamiento, la batería se carga y descarga durante 3 ciclos más y la capacidad se restablece al 100%.
Esta prueba muestra que incluso si la batería de fosfato de hierro y litio se ha descargado (incluso a 0V) y se ha almacenado durante un tiempo determinado, la batería no sufrirá fugas ni sufrirá daños. Esta es una característica que otros tipos de baterías de iones de litio no tienen.
Ventaja
1. Mejora del desempeño en materia de seguridad
El enlace PO en el cristal de fosfato de hierro y litio es estable y difícil de descomponer, incluso a altas temperaturas o sobrecarga, no colapsará ni se calentará ni formará sustancias oxidantes fuertes como el óxido de litio y cobalto, por lo que tiene buena seguridad. Se ha informado que se descubrió que una pequeña parte de la muestra se quemó en la operación real de la aguja o en el experimento de cortocircuito, pero no hubo ningún evento de explosión, y el experimento de sobrecarga utilizó una carga de alto voltaje que superó con creces la autodescarga. voltaje varias veces, y se descubrió que todavía había una explosión. Sin embargo, su seguridad contra sobrecargas ha mejorado mucho en comparación con las baterías ordinarias de óxido de cobalto y litio con electrolito líquido.
2. La mejora de la vida
La batería de fosfato de hierro y litio es una batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo.
El ciclo de vida de la batería de plomo-ácido de larga duración es de aproximadamente 300 veces y el máximo es de 500 veces, mientras que la batería de fosfato de hierro y litio tiene un ciclo de vida de más de 2000 veces y la carga estándar ({{5} }tarifa por hora) se puede utilizar 2000 veces. La batería de plomo-ácido de la misma calidad es "nueva medio año, vieja medio año, mantenimiento y mantenimiento durante otro medio año", como máximo de 1 a 1,5 años, y las baterías de fosfato de hierro y litio se utilizan en las mismas condiciones, el teórico la vida alcanzará los 7 a 8 años. En general, la relación precio-rendimiento es más de 4 veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido en teoría. La descarga de alta corriente puede ser carga y descarga rápida de 2C de alta corriente, con el cargador especial, la carga de 1,5C se puede cargar completamente en 40 minutos, la corriente de arranque es de hasta 2C y las baterías de plomo-ácido no tienen este rendimiento.
3. Buen rendimiento a altas temperaturas
El valor máximo del fosfato de hierro y litio puede alcanzar los 350 grados -500 grados, mientras que el manganato de litio y el cobaltato de litio son solo unos 200 grados. El rango de temperatura de funcionamiento es amplio (-20C-- 75C), y el pico eléctrico del fosfato de hierro y litio puede alcanzar los 350 grados -500 grados, mientras que el ácido de litio, manganeso y el ácido de litio y cobalto son solo unos 200 grados.
4. Gran capacidad
Las baterías a menudo funcionan bajo la condición de que estén llenas y no descargadas, y la capacidad rápidamente será inferior al valor de capacidad nominal, lo que se denomina efecto memoria. Al igual que el hidruro metálico de níquel, las baterías de níquel-cadmio tienen memoria, y las baterías de fosfato de hierro y litio no tienen este fenómeno, no importa en qué estado se encuentre la batería, se puede utilizar con la carga, sin colocarla primero y luego cargarla.
6. Peso ligero
El volumen y peso de una batería de fosfato de hierro y litio con la misma capacidad es 2/3 del volumen y 1/3 del peso de una batería de plomo-ácido.
7. Protección del Medio Ambiente
Las baterías de fosfato de hierro y litio generalmente se consideran libres de metales pesados y metales raros (las baterías de hidruro metálico de níquel necesitan metales raros), no tóxicas (certificación SGS), libres de contaminación, de acuerdo con las regulaciones europeas RoHS, para un ambiente absolutamente ecológico. certificado de batería. Por lo tanto, la razón por la cual la industria es optimista sobre las baterías de litio son principalmente consideraciones de protección ambiental, por lo que la batería se ha incluido en el plan nacional de desarrollo de alta tecnología "863" durante el período del "Décimo Plan Quinquenal". y se ha convertido en un proyecto clave a nivel nacional para apoyar e incentivar el desarrollo. Con la adhesión de China a la OMC, el volumen de exportación de bicicletas eléctricas de China aumentará rápidamente, y las bicicletas eléctricas que ingresan a Europa y Estados Unidos deben estar equipadas con baterías libres de contaminación.
Sin embargo, algunos expertos dijeron que la contaminación ambiental causada por las baterías de plomo-ácido ocurre principalmente en el proceso de producción no estándar y el proceso de reciclaje de las empresas. Del mismo modo, las baterías de litio pertenecen a la nueva industria energética y son buenas, pero no pueden evitar el problema de la contaminación por metales pesados. Plomo, arsénico, cadmio, mercurio, cromo, etc. en el procesamiento de materiales metálicos pueden liberarse al polvo y al agua. La batería en sí es una sustancia química, por lo que es posible producir dos tipos de contaminación: una es la contaminación por residuos de proceso en el proyecto de producción; El segundo es la contaminación de las baterías tras su desguace.
Las baterías de fosfato de hierro y litio también tienen sus desventajas: como un rendimiento deficiente a bajas temperaturas, una pequeña densidad de vibración positiva del material, el volumen de las baterías de fosfato de hierro y litio de la misma capacidad es mayor que el de las baterías de iones de litio como el ácido de litio y cobalto, por lo que no tiene una ventaja en términos de microbaterías. Cuando se utilizan en baterías eléctricas, las baterías de fosfato de hierro y litio, al igual que otras baterías, deben enfrentar problemas de consistencia.
Defecto
Si un material tiene potencial para el desarrollo de aplicaciones, además de centrarse en sus ventajas, lo más crítico es si el material tiene defectos fundamentales.
China ahora generalmente elige el fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo para baterías de iones de litio. El gobierno, las instituciones de investigación científica, las empresas e incluso las compañías de valores y otros analistas de mercado son optimistas sobre este material, como desarrollo de baterías de iones de litio. dirección. Las razones son principalmente las siguientes: en primer lugar, afectadas por la dirección de investigación y desarrollo de los Estados Unidos, las empresas Valence y A123 en los Estados Unidos fueron las primeras en utilizar fosfato de hierro y litio como material de electrodo positivo de las baterías de iones de litio. En segundo lugar, no ha habido ninguna preparación nacional de materiales de manganato de litio con buenas propiedades de almacenamiento y ciclos a alta temperatura para baterías de iones de litio. Sin embargo, el fosfato de litio y hierro también tiene defectos fundamentales que no se pueden ignorar y que se pueden resumir de la siguiente manera:
1. En el proceso de sinterización de la preparación de fosfato de hierro y litio, el óxido de hierro tiene la posibilidad de reducirse a hierro elemental en una atmósfera reductora de alta temperatura. El hierro elemental puede provocar un microcortocircuito en la batería y 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 baterías de iones de litio.
2. El fosfato de hierro y litio tiene algunos defectos de rendimiento, como la densidad de vibración y la densidad de compactación es muy baja, lo que resulta en una baja densidad de energía de las baterías de iones de litio. El rendimiento a bajas temperaturas es deficiente, ni siquiera el recubrimiento nano y de carbono resolvió este problema. El Dr. Don Hillebrand, director del Centro del Sistema de Almacenamiento de Energía del Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos, cuando habló sobre el rendimiento a baja temperatura de las baterías de fosfato de hierro y litio, usó terrible para describir los resultados de las pruebas que mostraron las baterías de iones de litio con fosfato de hierro y litio. que las baterías de fosfato de hierro y litio a bajas temperaturas (por debajo de 0 grados C) no pueden hacer funcionar los vehículos eléctricos. Aunque algunos fabricantes afirman que la tasa de retención de capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio es buena a bajas temperaturas, lo es en el caso de una corriente de descarga pequeña y un voltaje de corte de descarga bajo. En este caso, el dispositivo no funcionará en absoluto.
3. El costo de preparación del material y el costo de fabricación de la batería son mayores, el rendimiento de la batería es bajo y la consistencia es pobre. El nanómetro y el recubrimiento de carbono del fosfato de hierro y litio mejoran el rendimiento electroquímico del material, pero también plantean otros problemas, como una menor densidad de energía, mayores costos de síntesis, un rendimiento deficiente del procesamiento de electrodos y requisitos ambientales severos. Aunque los elementos químicos Li, Fe y P en el fosfato de litio y hierro son muy ricos y el costo es bajo, el costo del producto preparado de fosfato de litio y hierro no es bajo, incluso si se eliminan los costos iniciales de investigación y desarrollo, el costo del proceso del El material más el alto coste de preparación de la batería hará que el coste unitario final de almacenamiento de energía sea mayor.
4. Mala consistencia del producto. En la actualidad, no existe ninguna fábrica de material de fosfato de hierro y litio en China para resolver este problema. Desde el punto de vista de la preparación del material, la síntesis de fosfato de hierro y litio es una reacción compleja multifásica, con fosfato en fase sólida, óxido de hierro y sal de litio, más precursor de carbono y fase gaseosa reductora. En este complejo proceso de reacción, es difícil garantizar la consistencia de la reacción.
5. Cuestiones de propiedad intelectual. En la actualidad, la patente básica del fosfato de hierro y litio es propiedad de la Universidad de Texas, mientras que la patente del recubrimiento de carbono la aplican los canadienses. Estas dos patentes básicas no se pueden eludir; si se calcula el costo de las regalías, el costo del producto aumentará aún más.
Además, gracias a la experiencia en investigación, desarrollo y producción de baterías de iones de litio, Japón es el primer país en comercializar baterías de iones de litio y siempre ha ocupado el mercado de baterías de iones de litio de alta gama. Aunque Estados Unidos lidera algunas investigaciones básicas, hasta el momento no cuenta con un gran fabricante de baterías de iones de litio. Por lo tanto, es más razonable que Japón elija manganato de litio modificado como material de electrodo positivo para baterías dinámicas de iones de litio. Incluso en los Estados Unidos, el uso de fosfato de hierro y litio y manganato de litio como material de cátodo para baterías de iones de litio está dividido por igual, y el gobierno federal también está apoyando el desarrollo de ambos sistemas. En vista de los problemas anteriores que existen en el fosfato de hierro y litio, es difícil utilizarlo ampliamente como material de electrodo positivo para alimentar baterías de iones de litio en campos como los vehículos de nueva energía. Si podemos resolver el problema del bajo rendimiento de ciclos y almacenamiento a alta temperatura del manganato de litio, con sus ventajas de bajo costo y alto rendimiento, tendrá un gran potencial en la aplicación de baterías dinámicas de iones de litio.
