S neustálym prispôsobovaním globálnej energetickej štruktúry a rýchlym rozvojom obnoviteľnej energie,skladovanie energietechnológia sa postupne stáva dôležitou podporou transformácie energie a hnacou silou budúceho hospodárskeho rozvoja.
Úvod do technológie akumulátorov energie
▲Premena, skladovanie a využitie energie
▲Klasifikácia a aplikácia technológií skladovania energie
▲Princíp činnosti a zloženie akumulátorov energie
▲Výkonnostné ukazovatele a súvisiaca terminológia akumulátorov energie
Energia je základnou silou poháňajúcou svet a základným zdrojom, od ktorého závisí rozvoj ľudskej spoločnosti. Od prvotného využívania ohňa až po dnešnú elektrinu, rozvoj a využitie energie poháňali pokrok civilizácie a formovali našu súčasnú spoločenskú štruktúru.
S neustálym rastom globálneho dopytu po energii a rýchlym rozvojom obnoviteľnej energie sa objavila technológia akumulátorových batérií, ktorá sa stala kľúčovým pilierom energetického sektora. Batérie na ukladanie energie dokážu efektívne ukladať prerušované zdroje energie, ako je veterná a solárna energia, a uvoľňovať ich počas období špičky dopytu, čím sa zabezpečí stabilita dodávky energie. Táto technológia nielenže znižuje závislosť od tradičných fosílnych palív, ale poskytuje aj dôležité záruky na dosiahnutie nízkouhlíkových{2}}a udržateľných energetických systémov.
Vývoj technológie akumulátorov energie, od tradičných olovených-kyselinových batérií po moderné lítium-iónové batérie a potom až po vznikajúce batérie v tuhej fáze a sodíkové-iónové batérie, neustále prekonáva technologické prekážky. Zlepšením hustoty energie, predĺžením životnosti a zvýšením bezpečnosti preukázali batérie na skladovanie energie široké možnosti využitia v oblastiach, ako je domáce skladovanie energie, preprava a regulácia siete. Dá sa povedať, že technológia akumulátorov energie je nielen kľúčová pre súčasnú transformáciu energetickej štruktúry, ale aj jadro budúcich inteligentných sietí a distribuovaných energetických systémov.
Technológia ukladania energie batérie-na báze lítia
▲Štruktúra a princíp fungovania lítium-iónových batérií
▲Materiály katódy lítium-iónovej batérie
▲Materiály anód lítium-iónových batérií-
▲Elektrolyt lítium-iónovej batérie
▲Návrh a výroba lítium-iónových batérií
V roku 1970 spoločnosť MS Whittingham z ExxonMobil vytvorila prvú lítium-iónovú batériu. Ako kladné a záporné elektródy použil disulfid titánu a kovové lítium. Počas nabíjania a vybíjania sa kovové lítium nepretržite spotrebúva a vytvára na zápornej elektróde, zatiaľ čo disulfid titánu nepretržite vkladá a extrahuje ióny lítia na kladnej elektróde. Tieto dva procesy sú reverzibilné počas celej životnosti batérie, čím sa vytvorí sekundárna lítium{7}}iónová batéria s napätím 2V. V roku 1982 RR Agarwal a JR Selman z Illinois Institute of Technology zistili, že lítiové ióny majú vlastnosť interkalácie do grafitu, čo je proces, ktorý je rýchly a reverzibilný...Od svojho počiatku výskumu, vývoja, lítium{16} prešli lítiové batérie evolúcie. Vďaka svojmu vynikajúcemu a pohodlnému výkonu čoraz viac prenikajú do rôznych oblastí, od produktov 3C, ako sú mobilné telefóny a tablety, až po energetické odvetvia, ako sú elektrické vozidlá a{19}}veľké polia skladovania energie, ako je fotovoltaika a veterná energia, čím výrazne ovplyvňujú spoločenský život.
Čo je batéria?
▲História vývoja batérie
▲Úvod do lítium{0}}iónových batérií
▲Vlastnosti lítium-iónových batérií
▲Kľúčové materiály v lítium-iónových batériách
Batéria je typ zdroja energie. Zdroje energie sa vo všeobecnosti delia na fyzické zdroje energie a chemické zdroje energie. Fyzické zdroje energie zahŕňajú zariadenia na výrobu solárnej energie, zariadenia na výrobu termoelektrickej energie, tepelné a vodné generátory atď.; zatiaľ čo chemické zdroje energie sa týkajú zariadení na výrobu energie, ktoré môžu priamo premieňať chemickú energiu na elektrickú energiu, to znamená chemické batérie vo všeobecnom zmysle alebo jednoducho batérie.
Systémy batérií sa vyvíjali v štyroch generáciách: olovené-kyselinové batérie, nikel-kadmiové batérie, nikel-metalhydridové batérie a lítium-iónové batérie. Výkon batérie sa neustále zlepšoval a ľudské chápanie batériových systémov sa prehĺbilo. V súčasnosti sú lítium-iónové batérie najefektívnejším a energeticky-najefektívnejším systémom nabíjateľných batérií, čo predstavuje najvyššiu úroveň výskumu a technológie ľudských batérií.
História výskumu a vývoja lítium-železo fosfátových materiálov
▲História vývoja materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲Patentová situácia fosforečnanu lítno-železitého
▲Štúdie štruktúry a výkonu materiálov fosforečnanu lítno-železitého
Fosforečnan lítno-železitý (LiFeP, LFP, tiež známy ako fosforečnan lítno-železnatý alebo fosforečnan lítno-železnatý) je katódový materiál používaný v lítium-iónových batériách. Vyznačuje sa absenciou vzácnych prvkov, akými sú kobalt a nikel, nízkymi cenami surovín a množstvom zdrojov fosforu, lítia a železa v zemskej kôre, ktoré môžu uspokojiť trhový dopyt presahujúci jeden milión ton ročne. Ako katódový materiál má fosforečnan lítno-železitý mierne prevádzkové napätie (3,2 V), vysokú špecifickú kapacitu (170 mA·h/g), vysoký vybíjací výkon, schopnosť rýchleho nabíjania, dlhú životnosť cyklu a dobrú stabilitu pri vysokej teplote a vysokej teplote.
Výrobné zariadenie používané pri výrobe materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲Požiadavky na výrobné zariadenia: miešacie zariadenia, sušiace zariadenia, spekacie zariadenia, drviace zariadenia; Skríningové zariadenia; Generátor dusíka;Baliace zariadenia.
Keď sa pri výrobe lítium{0}}iónových batérií používajú katódové materiály s fosforečnanom lítno-železitým (LFP), požiadavky na ich čistotu, fázu a nečistoty sú mimoriadne prísne. Napríklad, keď stupeň oxidácie dvojmocného železa v LFP dosiahne 1 %, špecifická kapacita sa môže znížiť o viac ako 30 %. Je to preto, že novovytvorené trojmocné železo pokrýva povrch LFP a vytvára reaktívnu vrstvu, ktorá zabraňuje ďalším vnútorným reakciám. Ak už bol LFP oxidovaný, následné metódy redukcie nemôžu poskytnúť LFP, pretože lítiové ióny v surovine sa už stratili.
Príprava materiálov fosforečnanu lítneho železa metódou šťavelanu železnatého
▲Princíp syntézy
▲Hlavné syntetické suroviny
▲Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálov
Proces syntézy fosforečnanu lítno-železitého s použitím šťavelanu železnatého ako suroviny sa nazýva metóda šťavelanu železnatého (alebo jednoducho železnatá metóda). V súčasnosti je metóda šťavelanu železnatého najpoužívanejším procesom a metódou v Číne, pričom ju používa viac ako polovica domácich výrobcov. Jeho hlavnými výhodami sú nízke náklady na suroviny, jednoduchý proces a ľahká kontrola pomerov zložiek.
Príprava materiálov fosforečnanu lítno-železitého karbotermálnou redukciou
▲Princíp syntézy
▲Hlavné syntetické suroviny
▲Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálov
Medzi výrobcami vyrábajúcimi materiály na báze fosforečnanu lítno-železitého (LiFePO4) je karbotermálna redukčná metóda v súčasnosti po metóde šťavelanu železnatého druhou najpoužívanejšou technológiou. Jeho hlavnou surovinou je železité železo (Fe2PO4), vrátane fosforečnanu železitého (Fe2PO4) a oxidu železa (Fe2O3). Počas reakcie uhlík (C) a oxid uhoľnatý (C2O3) redukujú železité železo (Fe2PO4) na železnaté železo (Fe2+), ktoré potom vstupuje do kryštálovej mriežky a vytvára kryštálovú štruktúru fosforečnanu lítno-železitého (LiFePO4).
Výhodou karbotermálnej redukčnej metódy je, že pri spracovaní nie je potrebné brať do úvahy oxidáciu surovín; na spracovanie surovín na dosiahnutie požadovaného stavu disperzie možno použiť rôzne spôsoby miešania. Iba vo vysokoteplotnom štádiu uhlík redukuje železité železo na železnaté železo, čím sa vytvára fosforečnan lítno-železitý, odtiaľ názov karbotermická redukčná metóda. Metóda karbotermálnej redukcie dosahuje zníženie o jeden-krok, znižuje produkciu plynu a je prospešná pre zlepšenie výnosu. Súčasne je proces syntézy jednoduchý a ľahko ovládateľný, čo vedie k tomu, že čoraz väčší počet spoločností používa metódu karbotermálnej redukcie.
Hydrotermálna príprava materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲Princíp syntézy
▲Hlavné syntetické suroviny
▲Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálov
Hydrotermálna metóda je relatívne pokročilá metóda prípravy katódových materiálov fosforečnanu lítneho. Jeho hlavný proces využíva superkritický hydrotermálny systém, ktorý rozpúšťa síran železnatý, hydroxid lítny a kyselinu fosforečnú vo vode, pričom sa roztok zahrieva na viac ako 100 stupňov v uzavretom prostredí, aby sa vytvoril vysoko{2}}teplotný a vysokotlakový{3}}vodný roztok. Reakcia prebieha iónovou difúziou, pričom vznikajú častice kryštálov fosforečnanu lítno-železitého. Čistý materiál fosforečnanu lítno-železitého sa potom prefiltruje, vysuší a potiahne uhlíkom-, čím sa vytvorí kompozit fosforečnan lítno-železnatý/uhlík.
Konvenčné testovacie a analytické metódy pre materiály fosforečnanu lítno-železitého
▲Analýza chemického zloženia a testovacie metódy pre materiály fosforečnanu lítno-železitého
▲ Metódy testovania fyzikálnych vlastností materiálov s fosforečnanom lítno-železitým
▲ Metódy testovania elektrochemického výkonu pre materiály fosforečnanu lítno-železitého
▲Hodnotenie praktických aplikácií materiálov na báze lítium-železofosfátu
Pre materiály fosforečnanu lítneho a železa (LFP) je testovanie kľúčovou technológiou, ktorá je ešte dôležitejšia ako kontrola procesu syntézy. Bez presných a presných testovacích údajov nie je možné získať stabilné podmienky procesu, a preto nie je možné vyrábať kvalifikované produkty LFP, ktoré spĺňajú požiadavky na použitie. Dôsledné testovanie materiálov je nevyhnutné počas celého výrobného procesu, od obstarávania surovín a syntézy až po hodnotenie hotového výrobku. Preto každá jednotka, ktorá skúma a vyrába LFP, musí klásť veľký dôraz na konštrukciu svojho testovacieho systému. Používanie sofistikovaného testovacieho zariadenia, prísne testovacie metódy a dobre{4}}vyškolený testovací personál sú základnými podmienkami na to, aby si spoločnosť udržala svoju pozíciu v tomto odvetví.
Analýza ďalších charakteristických vlastností materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲ Analýza elektrochemického výkonu materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲ Elektrónová mikroskopická morfologická analýza materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲Povrchová energia materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲Meranie rozpustnosti železa v materiáloch fosforečnanu lítno-železitého
▲Spektroskopické charakteristiky materiálov fosforečnanu lítno-železitého
Pri praktickej aplikácii materiálov na báze fosforečnanu lítno-železitého je okrem rutinných výkonnostných testov tiež potrebné merať niektoré špecifické vlastnosti, aby sme poskytli referenciu pre hodnotenie výkonnosti materiálu a procesy výroby batérií. S pokrokom v technológii je možné teraz niektoré parametre, ktoré bolo možné predtým merať iba pomocou plných buniek, určiť pomocou jednoduchých metód. Napríklad výkonnosť cyklu materiálov fosforečnanu lítneho a železa, najmä výkonnosť uhlíkového cyklu, je teraz možné vyhodnotiť pomocou špeciálne navrhnutých mincových článkov, čo výrazne zjednodušuje proces merania.
Technológia výroby batérií s použitím materiálov fosforečnanu lítno-železitého
▲ Špecifikácie dizajnu systému lítium-železofosfátových batérií
▲Technológia prípravy suspenzie materiálu fosforečnanu lítneho
▲Povlak zo suspenzie fosforečnanu lítno-železitého
▲Válcovanie lítium-železofosfátových elektród
▲Transformácia a rozdelenie
▲Ďalšie príklady výroby batérií
Pre každú lítium-iónovú batériu je prvotnou úlohou prvotný návrh. Konštrukčné práce zahŕňajú určenie výrobného procesu lítium-iónovej batérie. Keďže výkon batérie je určený hlavne elektródami, dizajn elektród je hlavným aspektom výrobného procesu batérie. To platí aj pre lítium-železofosfátové batérie.
Hlavné oblasti použitia lítium-železofosfátových batérií
▲Aplikácie lítium-železofosfátových batérií v elektrických dopravných zariadeniach
▲Aplikácie lítium-železitých fosfátových batérií v napájacom zdroji energie
▲Aplikácie lítium-železofosfátových batérií v elektrickom náradí
▲Aplikácie lítium-železofosfátových batérií
Fosforečnan lítno-železitý (LFP) je katódový materiál pre lítium-iónové batérie a jeho najväčšou výhodou je vysoká bezpečnosť. Má tiež výhody, ktoré ternárnym materiálom lítium-mangánu a nikel{2}}mangánu-kobaltu chýbajú, ako je dlhá životnosť, nízke materiálové náklady a bohaté zdroje surovín. Batérie LFP majú stabilné napätie, mierne prevádzkové napätie, dobrú kompatibilitu s elektrolytickými systémami, sú netoxické, nemajú pamäťový efekt a neznečisťujú životné prostredie. Ich špecifická energia môže dosiahnuť 100 – 130 Wh/kg, čo je 0,3 – 5-násobok energie olovených{11}}kyselinových batérií a 1,5-násobok energie niklových{13}}metalhydridových batérií. Vzhľadom na svoje početné výhody sa považuje za ideálnu batériu pre elektrické vozidlá, skladovanie veternej a solárnej energie a bezpečné záložné batérie pre domáce použitie.
Výhľad na ďalšie katódové materiály pre lítium{0}}iónové batérie
▲Materiál katódy fosforečnanu lítno-vanádového -
▲ Katódový materiál fosforečnanu lítneho a mangánu
▲ Katódový materiál z kremičitanu lítneho a železa
▲ Materiál katódy na báze boritanu lítneho
▲Vrstvené katódové materiály-bohaté na lítium
Objavenie sa materiálov na báze fosforečnanu lítno-železitého (LFP) položilo základy materiálovej vedy pre rozšírené používanie-lítium-iónových{1}}batérií vo veľkom meradle.
Ako je dobre známe, bezpečnosť lítium{0}}iónových batérií bola vždy kľúčovým a kritickým problémom, ktorý obmedzoval rozvoj tohto odvetvia. Bezpečnosť lítium-iónových batérií nie je možné plne zaručiť ani vo vyspelých krajinách so stabilnými materiálovými vlastnosťami a sofistikovaným zariadením na spracovanie. Vzhľadom na súčasnú relatívne nízku úroveň spracovania lítium-iónových batérií v mojej krajine je LFP-vhodné pre národné podmienky mojej krajiny, čím sa výrazne zvyšuje bezpečnosť batérie.