Litiumrautafosfaattiakun koko nimi on litiumrautafosfaattilitiumioniakku, tämä nimi on liian pitkä, sitä kutsutaan litiumrautafosfaattiakuksi. Koska sen suorituskyky sopii erityisen hyvin tehosovelluksiin, nimeen on lisätty sana "teho", eli litiumrautafosfaattiakku. Jotkut ihmiset kutsuvat sitä myös "litiumrauta-akuksi (LiFe).
Toimintaperiaate
Litiumrautafosfaattiakulla tarkoitetaan litiumioniakkua, joka käyttää litiumrautafosfaattia positiivisena elektrodimateriaalina. Litiumioniakkujen tärkeimmät katodimateriaalit ovat litiumkoboltti, litiummanganaatti, litiumnikkeli, kolmikomponentit, litiumrautafosfaatti ja niin edelleen. Litiumkoboltaatti on anodimateriaali, jota käytetään useimmissa litiumioniakuissa.
merkitys
Metallikaupan markkinoilla koboltti (Co) on kallein ja sillä on vähän varastointia, nikkeli (Ni) ja mangaani (Mn) ovat halvempia ja raudalla (Fe) on enemmän varastointia. Myös anodimateriaalin hinta on näiden metallien hinnan mukainen. Siksi LiFePO4-katodimateriaaleista valmistettujen litiumioniakkujen pitäisi olla melko halpoja. Toinen sen ominaisuus on, että se ei saastuta ympäristöä.
Ladattavana akuna vaatimukset ovat: suuri kapasiteetti, korkea lähtöjännite, hyvä lataus-purkaussyklin suorituskyky, vakaa lähtöjännite, suuri virtalataus-purkaus, sähkökemiallinen stabiilius, käyttöturvallisuus (ei aiheuta palamista tai räjähdystä väärän toiminnan vuoksi kuten ylilataus, ylipurkaus ja oikosulku), laaja käyttölämpötila-alue, myrkytön tai vähemmän myrkyllinen, ei saastuta ympäristöä. Litiumrautafosfaattiakut, jotka käyttävät LiFePO4:a positiivisena elektrodina, ovat hyviä näissä suorituskykyvaatimuksissa, erityisesti suuressa purkausnopeudessa (5 ~ 10 C purkaus), vakaassa purkausjännitteessä, turvallisuudessa (ei palamista, ei räjähdystä), käyttöiässä (jaksojen lukumäärä), ja ei saastuta ympäristöä, se on paras, on tällä hetkellä paras korkean virran lähtöteho akku.
Rakenne ja toimintaperiaate
LiFePO4, joka on akun positiivinen elektrodi, on yhdistetty alumiinifoliolla akun positiiviseen elektrodiin. Keskellä on polymeerikalvo, joka erottaa positiivisen elektrodin negatiivisesta elektrodista, mutta litiumioni Li pääsee läpi ja elektroni e- ei pääse läpi. Oikealla on hiilestä (grafiitista) koostuva akun negatiivinen elektrodi, joka on yhdistetty akun negatiiviseen elektrodiin kuparikalvolla. Akun ylä- ja alapään välissä on akun elektrolyytti, ja akku on suljettu metallikuorella.
Kun LiFePO4-akkua ladataan, positiivisessa elektrodissa oleva litiumioni Li siirtyy negatiiviseen elektrodiin polymeerikalvon kautta; Purkausprosessin aikana negatiivisessa elektrodissa oleva litiumioni Li siirtyy kalvon läpi positiiviselle elektrodille. Litiumioniakut on nimetty, koska litiumionit liikkuvat edestakaisin latautuessaan ja purkautuessaan.
Pääsuoritus
LiFePO4-akun nimellisjännite on 3,2 V, päätelatausjännite 3,6 V ja päätteen purkausjännite on 2.0V. Eri valmistajien käyttämien positiivisten ja negatiivisten elektrodimateriaalien ja elektrolyyttimateriaalien erilaisen laadun ja prosessin vuoksi niiden suorituskyky on hieman erilainen. Esimerkiksi samalla mallilla (sama vakioakun paketti), sen akun kapasiteetissa on suuri ero (10% - 20%).
Tässä on huomattava, että eri tehtaiden valmistamien litiumrautafosfaattiakkujen suorituskykyparametreissa on joitain eroja; Lisäksi osa akun suorituskykyä ei sisälly, kuten akun sisäinen vastus, itsepurkautumisnopeus, lataus- ja purkauslämpötila.
Litiumrautafosfaattitehoparistojen kapasiteetti on hyvin erilainen, ja ne voidaan jakaa kolmeen luokkaan: pienet kymmenesosat muutamaan milliampeeriin, keskikokoiset kymmenet milliampeerit ja suuret sadat milliampeerit. Erityyppisten akkujen samoissa parametreissa on myös joitain eroja.
Ylipurkauksen nollajännitetesti:
Tehtiin STL18650(1100mAh) litiumrautafosfaattiakun purkautumistesti nollaan. Testiolosuhteet: Lataa 1100mAh STL18650 akkua 0,5 C:n latausnopeudella ja pura se sitten 1,0 C:n purkausnopeudella, kunnes akun jännite on 0 C. Sitten 0V akut jaetaan kahteen ryhmään: toista ryhmää säilytetään 7 päivää, toista ryhmää 30 päivää; Säilytyksen umpeutumisen jälkeen se täytetään 0,5 C:n latausnopeudella ja puretaan sitten 1,0 C:lla. Lopuksi verrataan kahden nollajännitteen tallennusjakson välistä eroa.
Testin tulos on, että 7 päivän nollajännitteen varastoinnin jälkeen akussa ei ole vuotoa, hyvä suorituskyky ja kapasiteetti on 100 %; 30 päivän varastoinnin jälkeen ei vuotoa, hyvä suorituskyky, kapasiteetti 98 %; 30 päivän varastoinnin jälkeen akkua ladataan ja puretaan vielä 3 jaksoa, ja kapasiteetti palautuu 100 prosenttiin.
Tämä testi osoittaa, että vaikka litiumrautafosfaattiakku olisi tyhjennetty (jopa 0V) ja säilytetty tietyn ajan, akku ei vuoda tai vaurioidu. Tämä on ominaisuus, jota muun tyyppisissä litiumioniakuissa ei ole.
Etu
1. Turvallisuuden parantaminen
Litiumrautafosfaattikiteen PO-sidos on vakaa ja vaikea hajota jopa korkeassa lämpötilassa tai ylilatauksella, se ei romahda ja kuumene tai muodosta vahvoja hapettavia aineita, kuten litiumkobolttioksidia, joten sillä on hyvä turvallisuus. On raportoitu, että pieni osa näytteestä havaittiin palavan varsinaisessa neula- tai oikosulkukokeessa, mutta räjähdystapahtumaa ei tapahtunut ja ylilatauskokeessa käytettiin korkeajännitevarausta, joka ylitti huomattavasti itsepurkauksen. jännite useita kertoja, ja havaittiin, että räjähdys oli edelleen olemassa. Sen ylilatausturvallisuus on kuitenkin parantunut huomattavasti tavallisiin nestemäisiin elektrolyyttilitiumkobolttioksidiakkuihin verrattuna.
2. Elämän parantaminen
Litiumrautafosfaattiakku on litiumioniakku, joka käyttää litiumrautafosfaattia positiivisena elektrodimateriaalina.
Pitkäikäisen lyijyakun käyttöikä on noin 300 kertaa ja maksimi 500 kertaa, kun taas litiumrautafosfaattiakun käyttöikä on yli 2000 kertaa ja vakiolataus ({{5} }tuntinopeus) voidaan käyttää 2000 kertaa. Sama laadukas lyijyakku on "uusi puoli vuotta, vanha puoli vuotta, huolto ja huolto vielä puoli vuotta", enintään 1-1,5 vuotta, ja litiumrautafosfaattiakkuja käytetään samoissa olosuhteissa, teoreettinen elinikä saavuttaa 7-8 vuotta. Kaiken kaikkiaan suorituskyvyn hintasuhde on yli 4 kertaa lyijyakkujen teoriassa verrattuna. Suurvirtapurkaus voi olla suurivirtainen 2C nopea lataus ja purkaus, erityisellä laturilla, 1,5C lataus voidaan ladata täyteen 40 minuutissa, käynnistysvirta jopa 2C, ja lyijyakuilla ei ole tätä suorituskykyä.
3. Hyvä suorituskyky korkeassa lämpötilassa
Litiumrautafosfaatin huippuarvo voi olla 350 astetta -500 astetta, kun taas litiummanganaatin ja litiumkobaltaatin arvot ovat vain noin 200 astetta. Käyttölämpötila-alue on laaja (-20C-- 75C), ja litiumrautafosfaatin sähköhuippu voi olla 350 astetta -500 astetta, kun taas litiummangaanihappo ja litiumkobolttihappo ovat vain noin 200 astetta.
4. Suuri kapasiteetti
Akut toimivat usein sillä ehdolla, että ne ovat täynnä eikä tyhjene, ja kapasiteetti on nopeasti pienempi kuin nimelliskapasiteettiarvo, jota kutsutaan muistiefektiksi. Kuten nikkelimetallihydridissä, nikkeli-kadmium-akuissa on muistia, ja litiumrautafosfaattiakuissa ei ole tätä ilmiötä, riippumatta siitä, missä tilassa akku on, sitä voidaan käyttää latauksen kanssa ilman ensin asettamista ja sitten lataamista.
6. Kevyt
Saman kapasiteetin litiumrautafosfaattiakun tilavuus ja paino on 2/3 tilavuudesta ja 1/3 lyijyakun painosta.
7. Ympäristönsuojelu
Litiumrautafosfaattiakkujen katsotaan yleensä olevan vapaita raskasmetalleista ja harvinaisista metalleista (nikkelimetallihydridiakut tarvitsevat harvinaisia metalleja), myrkyttömät (SGS-sertifiointi), saasteettomat, eurooppalaisten RoHS-määräysten mukaisesti, ehdottoman vihreän akun todistus. Siksi syy siihen, miksi teollisuus suhtautuu optimistisesti litiumakkuihin, on pääasiassa ympäristönsuojelunäkökohdat, joten akku on sisällytetty kansalliseen korkean teknologian kehityssuunnitelmaan "863" kymmenennen viisivuotissuunnitelman aikana. ja siitä on tullut valtakunnallinen kehitystä tukeva ja kannustava hanke. Kiinan liittyessä WTO:hon Kiinan sähköpolkupyörien vientimäärät kasvavat nopeasti, ja Eurooppaan ja Yhdysvaltoihin saapuvat sähköpyörät on vaadittu saastuttamattomilla akuilla.
Jotkut asiantuntijat kuitenkin sanoivat, että lyijyakkujen aiheuttama ympäristön saastuminen tapahtuu pääasiassa yritysten epätyypillisissä tuotanto- ja kierrätysprosesseissa. Samoin litiumparistot kuuluvat uuteen energiateollisuuteen on hyvä, mutta se ei voi välttää raskasmetallien pilaantumista. Lyijyä, arseenia, kadmiumia, elohopeaa, kromia jne. metallimateriaalien käsittelyssä saattaa vapautua pölyyn ja veteen. Akku itsessään on kemiallinen aine, joten on mahdollista tuottaa kahdenlaisia saasteita: toinen on tuotantoprojektin prosessijätteen saaste; Toinen on akun saastuminen romuttamisen jälkeen.
Litiumrautafosfaattiakuilla on myös haittapuolensa: kuten huono alhaisen lämpötilan suorituskyky, pieni positiivinen materiaalin värähtelytiheys, saman kapasiteetin litiumrautafosfaattiakkujen tilavuus on suurempi kuin litiumioniakuilla, kuten litiumkobolttihapolla, joten siinä ei ole etu mikroparistojen suhteen. Kun niitä käytetään tehoakuissa, litiumrautafosfaattiakkujen, kuten muidenkin akkujen, on kohdattava akun johdonmukaisuusongelmia.
Puute
Onko materiaalilla potentiaalia sovelluskehitykseen, sen etuihin keskittymisen lisäksi kriittisempi asia on, onko materiaalissa perustavanlaatuisia puutteita.
Kiina valitsee nykyään yleensä litiumrautafosfaatin positiiviseksi elektrodimateriaaliksi litiumioniakkuihin. Hallitus, tieteelliset tutkimuslaitokset, yritykset ja jopa arvopaperiyhtiöt ja muut markkina-analyytikot ovat optimistisia tämän materiaalin suhteen teho-litiumioniakkujen kehittämiseen. suunta. Syyt ovat pääasiassa seuraavat: Ensinnäkin Yhdysvaltojen tutkimus- ja kehityssuunnan vaikutuksesta Valence- ja A123-yhtiöt Yhdysvalloissa käyttivät ensimmäisenä litiumrautafosfaattia litiumioniakkujen positiivisena elektrodimateriaalina. Toiseksi, litiumioniakkuja varten ei ole valmistettu kotimaisesti litiummanganaattimateriaaleja, joilla on hyvät kierto- ja säilytysominaisuudet korkeissa lämpötiloissa. Litiumrautafosfaatissa on kuitenkin myös perustavanlaatuisia puutteita, joita ei voida jättää huomiotta, ja jotka voidaan tiivistää seuraavasti:
1. Litiumrautafosfaatin valmistuksen sintrausprosessissa rautaoksidi voidaan pelkistää alkuaineraudaksi korkeassa lämpötilassa pelkistävässä ilmakehässä. Alkuainerauta voi aiheuttaa akun mikrooikosulun ja on akun tabu-aine. Tämä on myös tärkein syy, miksi Japani ei ole käyttänyt tätä materiaalia positiivisena elektrodimateriaalina litiumioniakkujen tehonlähteenä.
2. litiumrautafosfaatilla on joitain suorituskykyvirheitä, kuten tärinän tiheys ja tiivistystiheys on erittäin alhainen, mikä johtaa litiumioniakkujen alhaiseen energiatiheyteen. Matalan lämpötilan suorituskyky on huono, edes nano- ja hiilipinnoite ei ratkaissut tätä ongelmaa. Tohtori Don Hillebrand, Argonnen kansallisen laboratorion Energy Storage System Centerin johtaja Yhdysvalloissa, puhuessaan litiumrautafosfaattiakkujen suorituskyvystä alhaisissa lämpötiloissa, hän käytti kauheita kuvaillessaan litiumrautafosfaattilitiumioniakkujen testituloksia. että litiumrautafosfaattiakut matalissa lämpötiloissa (alle 0 astetta C) eivät saa sähköajoneuvoja käymään. Vaikka jotkut valmistajat väittävät, että litiumrautafosfaattiakkujen kapasiteetin säilyvyysaste on hyvä alhaisissa lämpötiloissa, se on pieni purkausvirran ja alhaisen purkauskatkaisujännitteen tapauksessa. Tässä tapauksessa laite ei ala toimimaan ollenkaan.
3. Materiaalin valmistuskustannukset ja akun valmistuskustannukset ovat korkeammat, akun tuotto on alhainen ja konsistenssi huono. Litiumrautafosfaatin nanometri ja hiilipinnoite parantavat materiaalin sähkökemiallista suorituskykyä, mutta tuovat mukanaan myös muita ongelmia, kuten pienentyneen energiatiheyden, kohonneet synteesikustannukset, huonon elektrodin käsittelyn suorituskyvyn ja ankarat ympäristövaatimukset. Vaikka litiumrautafosfaatin kemialliset alkuaineet Li, Fe ja P ovat erittäin rikkaita ja kustannukset ovat alhaiset, valmistetun litiumrautafosfaattituotteen kustannukset eivät ole alhaiset, vaikka varhaiset tutkimus- ja kehityskustannukset poistettaisiin, prosessikustannukset materiaali sekä korkeat akun valmistelukustannukset tekevät lopullisesta yksikköenergian varastointikustannuksista korkeammat.
4. Huono tuotteen konsistenssi. Tällä hetkellä Kiinassa ei ole litiumrautafosfaattimateriaalitehdasta tämän ongelman ratkaisemiseksi. Materiaalin valmistuksen kannalta litiumrautafosfaatin synteesi on monimutkainen monifaasireaktio, jossa on kiinteäfaasifosfaattia, rautaoksidia ja litiumsuolaa sekä hiiliprekursoria ja pelkistävää kaasufaasia. Tässä monimutkaisessa reaktioprosessissa on vaikea varmistaa reaktion johdonmukaisuutta.
5. Immateriaalioikeudet. Tällä hetkellä litiumrautafosfaatin peruspatentin omistaa Texasin yliopisto, kun taas hiilipinnoitepatenttia soveltavat kanadalaiset. Näitä kahta peruspatenttia ei voida ohittaa, jos rojaltikustannukset lasketaan, tuotteen hinta nousee entisestään.
Lisäksi Japani on litiumioniakkujen tutkimus-, kehitys- ja tuotantokokemusten perusteella ensimmäinen maa, joka kaupallistaa litiumioniakkuja, ja se on aina ollut huippuluokan litiumioniakkujen markkinoilla. Vaikka Yhdysvallat johtaa joissakin perustutkimuksissa, sillä ei ole toistaiseksi suurta litiumioniakkujen valmistajaa. Siksi Japanille on järkevämpää valita modifioitu litiummanganaatti positiivisena elektrodimateriaalina dynaamisille litiumioniakuille. Jopa Yhdysvalloissa litiumrautafosfaatin ja litiummanganaatin käyttö teholitiumioniakkujen katodimateriaalien valmistajina jakautuvat tasan, ja myös liittovaltion hallitus tukee molempien järjestelmien kehittämistä. Ottaen huomioon edellä mainitut litiumrautafosfaatissa esiintyvät ongelmat, sitä on vaikea käyttää laajasti positiivisena elektrodimateriaalina litiumioniakkujen tehoa varten aloilla, kuten uusissa energiaajoneuvoissa. Jos pystymme ratkaisemaan litiummanganaatin huonon korkean lämpötilan kierto- ja varastointisuorituskyvyn ongelman alhaisten kustannusten ja korkean suorituskyvyn eduineen, sillä on suuri potentiaali dynaamisten litiumioniakkujen soveltamisessa.
