Odată cu ajustarea continuă a structurii energetice globale și dezvoltarea rapidă a energiei regenerabile,stocarea energieitehnologia devine treptat un suport important pentru transformarea energiei și impulsionarea dezvoltării economice viitoare.
Introducere în tehnologia bateriilor de stocare a energiei
▲Conversia, stocarea și utilizarea energiei
▲Clasificarea și aplicarea tehnologiilor de stocare a energiei
▲Prezentare generală a bateriilor de stocare a energiei
▲Principiul de funcționare și compoziția bateriilor de stocare a energiei
▲Indicatori de performanță și terminologie aferentă bateriilor de stocare a energiei
Energia este forța fundamentală care conduce lumea și o resursă de bază de care depinde societatea umană pentru dezvoltare. De la utilizarea inițială a focului până la energia electrică de astăzi, dezvoltarea și utilizarea energiei a propulsat progresul civilizației și a modelat structura noastră socială actuală.
Odată cu creșterea continuă a cererii globale de energie și dezvoltarea rapidă a energiei regenerabile, tehnologia bateriilor de stocare a energiei a apărut și a devenit un pilon crucial al sectorului energetic. Bateriile de stocare a energiei pot stoca eficient surse de energie intermitentă, cum ar fi energia eoliană și solară și le pot elibera în perioadele de vârf, asigurând stabilitatea alimentării cu energie. Această tehnologie nu numai că reduce dependența de combustibilii fosili tradiționali, ci oferă și garanții importante pentru realizarea unor sisteme energetice durabile și cu emisii reduse de-carbon.
Dezvoltarea tehnologiei bateriilor de stocare a energiei, de la bateriile tradiționale cu plumb-acid la bateriile moderne cu litiu-ion și apoi la bateriile emergente cu stare solidă-și bateriile cu sodiu-ion, depășește constant blocajele tehnologice. Prin îmbunătățirea densității energiei, prelungirea duratei de viață și îmbunătățirea siguranței, bateriile de stocare a energiei au prezentat perspective largi de aplicare în domenii precum stocarea energiei la domiciliu, transportul și reglementarea rețelei. Se poate spune că tehnologia bateriilor de stocare a energiei este nu numai cheia transformării actuale a structurii energetice, ci și nucleul viitoarelor rețele inteligente și sisteme de energie distribuită.
Tehnologie de stocare a energiei bateriei pe bază de litiu-
▲Structura și principiul de funcționare al bateriilor litiu-ion
▲Materiale catodice ale bateriei litiu-ion
▲Materiale anozi ale bateriei cu litiu-ion
▲Electrolit de baterie litiu-ion
▲Proiectarea și fabricarea bateriilor litiu-ion
În 1970, MS Whittingham de la ExxonMobil a creat prima baterie litiu-ion. El a folosit disulfură de titan și litiu metalic ca electrozi pozitivi și, respectiv, negativi. În timpul încărcării și descărcării, litiul metalic este consumat și generat continuu la electrodul negativ, în timp ce disulfura de titan inserează și extrage continuu ionii de litiu la electrodul pozitiv. Aceste două procese sunt reversibile pe toată durata de viață a bateriei, formând astfel o baterie secundară litiu-ion cu o tensiune de 2V. În 1982, RR Agarwal și JR Selman de la Institutul de Tehnologie din Illinois au descoperit că ionii de litiu au proprietatea de a se intercala în grafit, un proces care este rapid și reversibil... cercetare, dezvoltare și evoluție. Cu performanța lor superioară și convenabilă, ele pătrund din ce în ce mai mult în diverse domenii, de la produse 3C, cum ar fi telefoanele mobile și tabletele, până la sectoare energetice, cum ar fi vehiculele electrice și domeniile de stocare a energiei la scară largă-, cum ar fi fotovoltaica și energia eoliană, având un impact semnificativ asupra vieții sociale.
Ce este o baterie?
▲ Istoricul dezvoltării bateriei
▲Introducere în bateriile cu litiu-ion
▲Caracteristicile bateriilor litiu-ion
▲Materiale cheie din bateriile litiu-ion
O baterie este un tip de sursă de energie. Sursele de energie sunt, în general, împărțite în surse de energie fizică și surse de energie chimică. Sursele fizice de energie includ dispozitive de generare a energiei solare, dispozitive de generare a energiei termoelectrice, generatoare termice și hidroelectrice etc.; în timp ce sursele de energie chimică se referă la dispozitive de generare a energiei care pot transforma direct energia chimică în energie electrică, adică bateriile chimice în sens general, sau pur și simplu bateriile.
Sistemele de baterii au evoluat de-a lungul a patru generații: baterii cu plumb-acid, baterii cu nichel-cadmiu, baterii cu nichel-hidrură metalică și baterii cu litiu-ion. Performanța bateriei s-a îmbunătățit continuu, iar înțelegerea umană a sistemelor de baterii s-a aprofundat. În prezent, bateriile cu litiu-ion sunt cel mai eficient și mai eficient{7}}sistem de baterii reîncărcabile din punct de vedere energetic, reprezentând cel mai înalt nivel de cercetare și tehnologie a bateriilor umane.
Istoria cercetării și dezvoltării materialelor cu fosfat de fier și litiu
▲ Istoricul dezvoltării materialelor cu fosfat de litiu și fier
▲ Situația de brevet a fosfatului de fier litiu
▲ Studii structurale și de performanță ale materialelor fosfat de fier litiu
Fosfatul de litiu de fier (LiFeP, LFP, cunoscut și sub denumirea de fosfat de litiu de fier sau fosfat de litiu de fier) este un material catodic utilizat în bateriile cu litiu-ion. Se caracterizează prin absența elementelor prețioase precum cobaltul și nichelul, prețurile scăzute ale materiilor prime și abundența resurselor de fosfor, litiu și fier din scoarța terestră, care pot satisface cererea pieței de peste un milion de tone pe an. Ca material catod, fosfatul de litiu fier are o tensiune de operare moderată (3,2 V), capacitate specifică mare (170 mA·h/g), putere mare de descărcare, capacitate de încărcare rapidă, ciclu de viață lung și stabilitate bună în medii cu temperaturi ridicate și căldură ridicată.
Echipamente de producție utilizate la fabricarea materialelor cu fosfat de litiu și fier
▲Cerințe echipamente de producție:;Echipamente de amestecare;Echipamente de uscare;Echipamente de sinterizare;;Echipamente de zdrobire; Echipamente de screening; Generator de azot;Echipamente de ambalare.
Atunci când materialele catodice cu fosfat de fier litiu (LFP) sunt utilizate în fabricarea bateriilor cu litiu-ion, cerințele pentru puritatea, fază și impuritățile acestora sunt extrem de stricte. De exemplu, când gradul de oxidare al fierului divalent în LFP atinge 1%, capacitatea specifică poate scădea cu mai mult de 30%. Acest lucru se datorează faptului că fierul trivalent nou generat acoperă suprafața LFP, formând un strat reactiv care previne reacțiile interne ulterioare. Dacă LFP a fost deja oxidat, metodele ulterioare de reducere nu pot produce LFP deoarece ionii de litiu din materia primă s-au pierdut deja.
Prepararea materialelor fosfat de litiu fier prin metoda oxalatului feros
▲Principiul de sinteză
▲ Principalele materii prime sintetice
▲ Proces de sinteză
▲ Performanța materialelor sintetice
Procesul de sinteză a fosfatului de fier litiu folosind oxalat feros ca materie primă se numește metoda oxalatului feros (sau pur și simplu metoda feroasă). În prezent, metoda oxalatului feros este cel mai utilizat proces și metodă în China, mai mult de jumătate dintre producătorii autohtoni o folosesc. Principalele sale avantaje sunt costurile scăzute ale materiilor prime, procesul simplu și controlul ușor al proporțiilor de ingrediente.
Prepararea materialelor fosfat de litiu fier prin reducerea carbotermală
▲Principiul de sinteză
▲ Principalele materii prime sintetice
▲ Proces de sinteză
▲ Performanța materialelor sintetice
Printre producătorii care produc materiale cu fosfat de fier litiu (LiFePO4), metoda de reducere carbotermală este în prezent a doua cea mai utilizată tehnologie după metoda oxalatului feros. Principala sa materie primă este fierul feric (Fe2PO4), inclusiv fosfatul de fier (Fe2PO4) și oxidul de fier (Fe2O3). În timpul reacției, carbonul (C) și monoxidul de carbon (C2O3) reduc fierul feric (Fe2PO4) în fier feros (Fe2+), care apoi intră în rețeaua cristalină, formând structura cristalină a fosfatului de fier de litiu (LiFePO4).
Avantajul metodei de reducere carbotermală este că oxidarea materiilor prime nu trebuie luată în considerare în timpul procesării; pot fi utilizate diverse metode de amestecare pentru a prelucra materiile prime pentru a atinge starea de dispersie dorită. Numai în stadiul de temperatură ridicată carbonul reduce fierul feric în fier feros, formând fosfat de fier litiu, de unde denumirea de metodă de reducere carbotermală. Metoda de reducere carbotermală realizează o reducere-un pas, reduce producția de gaz și este benefică pentru îmbunătățirea randamentului. În același timp, procesul de sinteză este simplu și ușor de controlat, ceea ce duce la un număr tot mai mare de companii care adoptă metoda reducerii carbotermale.
Prepararea hidrotermală a materialelor cu fosfat de litiu și fier
▲Principiul de sinteză
▲ Principalele materii prime sintetice
▲ Proces de sinteză
▲ Performanța materialelor sintetice
Metoda hidrotermală este o metodă relativ avansată pentru prepararea materialelor catodice cu fosfat de litiu și fier. Procesul său principal folosește un sistem hidrotermal supercritic, care dizolvă sulfatul feros, hidroxidul de litiu și acidul fosforic în apă, încălzind soluția la peste 100 de grade într-un mediu etanș pentru a forma o soluție apoasă la-înaltă temperatură, la presiune înaltă-. Reacția are loc prin difuzie ionică, generând particule de cristal de fosfat de fier de litiu. Materialul fosfat de fier litiu pur este apoi filtrat, uscat și acoperit cu carbon-pentru a forma un compozit fosfat de fier litiu/carbon.
Metode convenționale de testare și analiză pentru materialele cu fosfat de litiu și fier
▲ Analiza compoziției chimice și metode de testare pentru materialele fosfat de litiu și fier
▲ Metode de testare a proprietății fizice pentru materialele cu fosfat de litiu și fier
▲ Metode de testare a performanței electrochimice pentru materialele cu fosfat de litiu și fier
▲ Evaluarea aplicațiilor practice ale materialelor cu fosfat de litiu și fier
Pentru materialele cu fosfat de fier litiu (LFP), testarea este o tehnologie de bază, chiar mai importantă decât controlul procesului de sinteză. Fără date de testare precise și exacte, nu pot fi obținute condiții stabile de proces și, prin urmare, nu pot fi produse produse LFP calificate care îndeplinesc cerințele de utilizare. Testarea riguroasă a materialelor este esențială pe parcursul întregului proces de producție, de la achiziționarea și sinteza materiilor prime până la evaluarea produsului finit. Prin urmare, orice unitate care cercetează și produce LFP trebuie să pună mare accent pe construcția sistemului său de testare. Angajarea de echipamente de testare sofisticate, metode de testare riguroase și personal de testare bine-instruit sunt condiții fundamentale pentru ca o companie să își mențină poziția în industrie.
Analiza altor proprietăți caracteristice ale materialelor fosfat de fier litiu
▲ Analiza performanței electrochimice a materialelor cu fosfat de litiu și fier
▲ Analiza morfologică microscopică electronică a materialelor fosfat de fier litiu
▲ Energia de suprafață a materialelor fosfat de fier litiu
▲ Măsurarea solubilității fierului în materiale fosfat de fier litiu
▲ Caracteristicile spectroscopice ale materialelor fosfat de fier litiu
În aplicarea practică a materialelor fosfat de litiu fier, pe lângă testele de rutină de performanță, este, de asemenea, necesar să se măsoare unele proprietăți specifice pentru a oferi o referință pentru evaluarea performanței materialelor și procesele de fabricație a bateriilor. Odată cu progresul tehnologiei, unii parametri care anterior puteau fi măsurați doar folosind celule complete pot fi acum determinați folosind metode simple. De exemplu, performanța ciclului materialelor fosfat de fier litiu, în special performanța ciclului carbonului, poate fi acum evaluată folosind celule monedă special concepute, simplificând foarte mult procesul de măsurare.
Tehnologia de fabricare a bateriilor folosind materiale fosfat de fier litiu
▲ Specificații de proiectare a sistemului de baterii cu litiu fier și fosfat
▲ Tehnologia de preparare a nămolului de material fosfat de fier de litiu
▲ Acoperire cu suspensie de fosfat de fier litiu
▲ Laminarea electrozilor de fosfat de fier litiu
▲ Transformare și divizare
▲ Alte exemple de fabricare a bateriilor
Pentru orice baterie litiu-ion, proiectarea inițială este sarcina principală. Lucrarea de proiectare implică determinarea procesului de fabricație al bateriei litiu-ion. Deoarece performanța bateriei este determinată în principal de electrozi, designul electrozilor este un aspect de bază al procesului de fabricare a bateriei. Acest lucru este valabil și pentru bateriile cu litiu fosfat de fier.
Principalele domenii de aplicare ale bateriilor cu litiu fosfat de fier
▲ Aplicații ale bateriilor de litiu cu fosfat de fier în dispozitivele electrice de transport
▲ Aplicații ale bateriilor de litiu cu fosfat de fier în sursa de alimentare cu energie de stocare
▲ Aplicații ale bateriilor litiu fier fosfat în uneltele electrice
▲ Aplicații ale bateriilor cu litiu fosfat de fier
Fosfatul de fier litiu (LFP) este materialul catodic pentru bateriile cu litiu-ion, iar cel mai mare avantaj al său este siguranța ridicată. Are, de asemenea, avantaje pe care le lipsesc oxidul de litiu mangan și materialele ternare de nichel-mangan-cobalt, cum ar fi ciclul de viață lung, costul scăzut al materialului și surse abundente de materii prime. Bateriile LFP au tensiune stabilă, tensiune moderată de funcționare, compatibilitate bună cu sistemele electrolitice, nu sunt-toxice, nu au efect de memorie și nu poluează mediul. Energia lor specifică poate ajunge la 100–130 Wh/kg, care este de 0,3–5 ori mai mare decât a bateriilor cu plumb-acid și de 1,5 ori mai mare decât a bateriilor cu nichel-hidrură metalică. Având în vedere numeroasele sale avantaje, este considerată o baterie ideală pentru vehiculele electrice, stocarea energiei eoliene și solare și baterii de rezervă sigure pentru uz casnic.
Perspectivă pentru alte materiale catodice pentru baterii cu litiu-ion
▲Material catod de fosfat de litiu vanadiu -
▲ Material catod fosfat de litiu mangan
▲ Material catod de silicat de fier de litiu
▲ Material catod borat de litiu fier
▲Materiale catodice stratificate bogate în litiu-
Apariția materialelor cu fosfat de fier de litiu (LFP) a pus bazele științei materialelor pentru aplicarea pe scară largă a bateriilor cu litiu{-la scară largă.
După cum se știe, siguranța bateriilor cu litiu-ion a fost întotdeauna o problemă centrală și critică care limitează dezvoltarea industriei. Chiar și în țările dezvoltate cu proprietăți stabile ale materialelor și echipamente de procesare sofisticate, siguranța bateriilor cu litiu-ion nu poate fi pe deplin garantată. Având în vedere nivelul relativ scăzut actual de procesare a bateriilor cu litiu-ion în țara mea, LFP se potrivește bine-condițiilor naționale din țara mea, îmbunătățind semnificativ siguranța bateriei.