Amb l'ajust continu de l'estructura energètica global i el ràpid desenvolupament de les energies renovables,emmagatzematge d'energiaLa tecnologia s'està convertint gradualment en un suport important per a la transformació energètica i impulsant el desenvolupament econòmic futur.
Introducció a la tecnologia de les bateries d'emmagatzematge d'energia
▲Conversió, emmagatzematge i utilització d'energia
▲Classificació i aplicació de les tecnologies d'emmagatzematge d'energia
▲Visió general de les bateries d'emmagatzematge d'energia
▲Principi de funcionament i composició de les bateries d'emmagatzematge d'energia
▲Indicadors de rendiment i terminologia relacionada de les bateries d'emmagatzematge d'energia
L'energia és la força fonamental que impulsa el món i un recurs bàsic del qual depèn la societat humana per al desenvolupament. Des de l'ús inicial del foc fins a l'electricitat actual, el desenvolupament i la utilització de l'energia ha impulsat el progrés de la civilització i ha donat forma a la nostra estructura social actual.
Amb el creixement continu de la demanda energètica mundial i el ràpid desenvolupament de les energies renovables, la tecnologia de les bateries d'emmagatzematge d'energia ha sorgit i s'ha convertit en un pilar crucial del sector energètic. Les bateries d'emmagatzematge d'energia poden emmagatzemar eficaçment fonts d'energia intermitents com l'energia eòlica i solar i alliberar-les durant els períodes de demanda punta, garantint l'estabilitat del subministrament d'energia. Aquesta tecnologia no només redueix la dependència dels combustibles fòssils tradicionals, sinó que també ofereix importants garanties per aconseguir sistemes energètics sostenibles i baixos-carboni.
El desenvolupament de la tecnologia de les bateries d'emmagatzematge d'energia, des de les bateries tradicionals de plom-àcid fins a les modernes bateries d'ions de liti-, i després de les bateries emergents d'estat sòlid-i les bateries d'ions-sodi, està constantment trencant els colls d'ampolla tecnològics. Millorant la densitat d'energia, allargant la vida útil i millorant la seguretat, les bateries d'emmagatzematge d'energia han mostrat àmplies perspectives d'aplicació en àrees com l'emmagatzematge d'energia domèstica, el transport i la regulació de la xarxa. Es pot dir que la tecnologia de les bateries d'emmagatzematge d'energia no només és clau per a la transformació actual de l'estructura energètica, sinó també el nucli de les xarxes intel·ligents i els sistemes d'energia distribuïts futurs.
Tecnologia d'emmagatzematge d'energia de la bateria basada en liti-
▲Estructura i principi de funcionament de les bateries d'ions de liti{0}
▲Materials de càtode de la bateria d'ions de liti-
▲Materials d'ànode de la bateria d'ions de liti-
▲Electròlit de la bateria d'ions de liti-
▲Disseny i fabricació de bateries d'ions de liti-
El 1970, MS Whittingham d'ExxonMobil va crear la primera bateria d'ions de liti-. Va utilitzar disulfur de titani i liti metàl·lic com a elèctrodes positius i negatius, respectivament. Durant la càrrega i descàrrega, el liti metàl·lic es consumeix i es genera contínuament a l'elèctrode negatiu, mentre que el disulfur de titani insereix i extreu contínuament ions de liti a l'elèctrode positiu. Aquests dos processos són reversibles al llarg de la vida útil de la bateria, formant així una bateria d'ions de liti-secundària amb una tensió de 2V. El 1982, RR Agarwal i JR Selman de l'Institut de Tecnologia d'Illinois van descobrir que els ions de liti tenen la propietat d'intercalar-se en el grafit, un procés ràpid i reversible... recerca, desenvolupament i evolució. Amb el seu rendiment superior i còmode, penetren cada cop més en diversos camps, des de productes 3C com ara telèfons mòbils i tauletes fins a sectors energètics com els vehicles elèctrics i camps d'emmagatzematge d'energia a gran-escala com la fotovoltaica i l'eòlica, amb un impacte significatiu en la vida social.
Què és una bateria?
▲ Historial de desenvolupament de la bateria
▲Introducció a les bateries d'ions de liti-
▲Característiques de les bateries d'ions de liti-
▲Materials clau en bateries d'ions de liti-
Una bateria és un tipus de font d'energia. Les fonts d'energia generalment es divideixen en fonts d'energia física i fonts d'energia química. Les fonts d'energia física inclouen dispositius de generació d'energia solar, dispositius de generació d'energia termoelèctrica, generadors tèrmics i hidroelèctrics, etc.; mentre que les fonts d'energia química es refereixen a dispositius de generació d'energia que poden convertir directament l'energia química en energia elèctrica, és a dir, bateries químiques en el sentit general, o simplement bateries.
Els sistemes de bateries han evolucionat al llarg de quatre generacions: bateries de plom-àcid, bateries de níquel-cadmi, bateries de níquel-hidrur metàl·lic i bateries d'ions-liti. El rendiment de la bateria ha millorat contínuament i la comprensió humana dels sistemes de bateries s'ha aprofundit. Actualment, les bateries d'ions de liti-són el sistema de bateries recarregables més eficient i-energèticament eficient, i representen el nivell més alt d'investigació i tecnologia de bateries humanes.
Història d'investigació i desenvolupament de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Historial de desenvolupament de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Situació de la patent del fosfat de ferro de liti
▲ Estudis estructurals i de rendiment dels materials de fosfat de ferro de liti
El fosfat de ferro de liti (LiFeP, LFP, també conegut com a fosfat de ferro de liti o fosfat de ferro de liti) és un material càtode que s'utilitza a les bateries d'ions de liti{0}}. Es caracteritza per l'absència d'elements preciosos com el cobalt i el níquel, els baixos preus de les matèries primeres i l'abundància de recursos de fòsfor, liti i ferro a l'escorça terrestre, que poden satisfer una demanda del mercat superior al milió de tones anuals. Com a material càtode, el fosfat de ferro de liti té una tensió de funcionament moderada (3,2 V), una alta capacitat específica (170 mA·h/g), una gran potència de descàrrega, una capacitat de càrrega ràpida, una llarga vida útil i una bona estabilitat en ambients d'alta temperatura i calor elevat.
Equips de producció utilitzats en la fabricació de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Requisits de l'equip de producció:; Equip de mescla; Equip d'assecat; Equip de sinterització; Equip de trituració; Equips de cribratge; Generador de nitrogen; Equips d'embalatge.
Quan s'utilitzen materials de càtode de fosfat de ferro de liti (LFP) en la fabricació de bateries d'ions de liti-, els requisits de puresa, fase i impureses són extremadament estrictes. Per exemple, quan el grau d'oxidació del ferro divalent en LFP arriba a l'1%, la capacitat específica pot disminuir en més d'un 30%. Això es deu al fet que el ferro trivalent recentment generat recobreix la superfície de l'LFP, formant una capa reactiva que impedeix noves reaccions internes. Si la LFP ja s'ha oxidat, els mètodes de reducció posteriors no poden produir LFP perquè els ions de liti de la matèria primera ja s'han perdut.
Preparació de materials de fosfat de ferro de liti per mètode d'oxalat fèrric
▲ Principi de síntesi
▲ Principals matèries primeres sintètiques
▲ Procés de síntesi
▲ Rendiment de materials sintètics
El procés de síntesi de fosfat de ferro de liti utilitzant oxalat fèrric com a matèria primera s'anomena mètode d'oxalat fèrric (o simplement mètode ferros). Actualment, el mètode d'oxalat fèrric és el procés i mètode més utilitzat a la Xina, amb més de la meitat dels fabricants nacionals que l'utilitzen. Els seus principals avantatges són els baixos costos de les matèries primeres, el procés senzill i el fàcil control de les proporcions dels ingredients.
Preparació de materials de fosfat de ferro de liti per reducció carbotèrmica
▲ Principi de síntesi
▲ Principals matèries primeres sintètiques
▲ Procés de síntesi
▲ Rendiment de materials sintètics
Entre els fabricants que produeixen materials de fosfat de ferro de liti (LiFePO4), el mètode de reducció carbotèrmica és actualment la segona tecnologia més utilitzada després del mètode d'oxalat fèrric. La seva matèria primera principal és el ferro fèrric (Fe2PO4), incloent el fosfat de ferro (Fe2PO4) i l'òxid de ferro (Fe2O3). Durant la reacció, el carboni (C) i el monòxid de carboni (C2O3) redueixen el ferro fèrric (Fe2PO4) a ferro fèrric (Fe2+), que després entra a la xarxa cristal·lina, formant l'estructura cristal·lina del fosfat de ferro de liti (LiFePO4).
L'avantatge del mètode de reducció carbotèrmica és que no cal tenir en compte l'oxidació de les matèries primeres durant el processament; Es poden utilitzar diversos mètodes de barreja per processar les matèries primeres per aconseguir l'estat de dispersió desitjat. Només en l'etapa d'alta temperatura, el carboni redueix el ferro fèrric a ferro fèrric, formant fosfat de ferro de liti, d'aquí el nom de mètode de reducció carbotèrmica. El mètode de reducció carbotèrmica aconsegueix una reducció d'un-pas, redueix la producció de gas i és beneficiós per millorar el rendiment. Al mateix temps, el procés de síntesi és senzill i fàcil de controlar, fet que fa que un nombre creixent d'empreses adoptin el mètode de reducció carbotèrmica.
Preparació hidrotèrmica de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Principi de síntesi
▲ Principals matèries primeres sintètiques
▲ Procés de síntesi
▲ Rendiment de materials sintètics
El mètode hidrotermal és un mètode relativament avançat per preparar materials càtods de fosfat de ferro de liti. El seu procés principal utilitza un sistema hidrotermal supercrític, dissol sulfat ferros, hidròxid de liti i àcid fosfòric en aigua, escalfant la solució a més de 100 graus en un entorn segellat per formar una solució aquosa d'alta -temperatura i alta- pressió. La reacció transcorre per difusió iònica, generant partícules de cristall de fosfat de ferro de liti. A continuació, el material de fosfat de ferro de liti pur es filtra, s'asseca i es recobreix de carboni-per formar un compost de fosfat de ferro de liti i carboni.
Mètodes convencionals d'assaig i anàlisi de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Anàlisi de la composició química i mètodes de prova per a materials de fosfat de ferro de liti
▲ Mètodes de prova de propietats físiques per a materials de fosfat de ferro de liti
▲ Mètodes de prova de rendiment electroquímic per a materials de fosfat de ferro de liti
▲ Avaluació de les aplicacions pràctiques dels materials de fosfat de ferro de liti
Per als materials de fosfat de ferro de liti (LFP), les proves són una tecnologia bàsica, fins i tot més important que el control del procés de síntesi. Sense dades de prova precises i precises, no es poden obtenir condicions de procés estables i, per tant, no es poden produir productes LFP qualificats que compleixin els requisits d'ús. Les proves rigoroses dels materials són essencials durant tot el procés de producció, des de l'adquisició de matèries primeres i la síntesi fins a l'avaluació del producte acabat. Per tant, qualsevol unitat que investigui i produeixi LFP ha de posar un gran èmfasi en la construcció del seu sistema de proves. L'ús d'equips de prova sofisticats, mètodes de prova rigorosos i personal de proves ben-format són condicions fonamentals perquè una empresa mantingui la seva posició en el sector.
Anàlisi d'altres propietats característiques dels materials de fosfat de ferro de liti
▲ Anàlisi del rendiment electroquímic dels materials de fosfat de ferro de liti
▲ Anàlisi de morfologia microscòpica electrònica de materials de fosfat de ferro de liti
▲ Energia superficial dels materials de fosfat de ferro de liti
▲ Mesura de la solubilitat del ferro en materials de fosfat de ferro de liti
▲ Característiques espectroscòpiques dels materials de fosfat de ferro de liti
En l'aplicació pràctica dels materials de fosfat de ferro de liti, a més de les proves de rendiment rutinàries, també cal mesurar algunes propietats específiques per proporcionar una referència per a l'avaluació del rendiment del material i els processos de fabricació de bateries. Amb l'avenç de la tecnologia, ara es poden determinar alguns paràmetres que abans només es podien mesurar amb cel·les completes mitjançant mètodes senzills. Per exemple, el rendiment del cicle dels materials de fosfat de ferro de liti, especialment el rendiment del cicle del carboni, ara es pot avaluar mitjançant cèl·lules monedes dissenyades especialment, simplificant molt el procés de mesura.
Tecnologia de fabricació de bateries amb materials de fosfat de ferro de liti
▲ Especificacions de disseny del sistema de bateries de fosfat de ferro de liti
▲ Tecnologia de preparació de purins de material de fosfat de ferro de liti
▲ Recobriment de purins de fosfat de ferro de liti
▲ Enrotllament d'elèctrodes de fosfat de ferro de liti
▲Transformació i divisió
▲ Altres exemples de fabricació de bateries
Per a qualsevol bateria d'ions de liti-, el disseny inicial és la tasca principal. El treball de disseny consisteix a determinar el procés de fabricació de la bateria d'ions de liti-. Com que el rendiment de la bateria està determinat principalment pels elèctrodes, el disseny d'elèctrodes és un aspecte bàsic del procés de fabricació de la bateria. Això també és cert per a les bateries de fosfat de ferro de liti.
Principals àrees d'aplicació de les bateries de fosfat de ferro de liti
▲ Aplicacions de bateries de fosfat de ferro de liti en dispositius de transport elèctric
▲ Aplicacions de bateries de fosfat de ferro de liti a la font d'alimentació d'emmagatzematge d'energia
▲ Aplicacions de bateries de fosfat de ferro de liti en eines elèctriques
▲ Aplicacions de bateries de fosfat de ferro de liti
El fosfat de ferro de liti (LFP) és el material càtode de les bateries d'ions de liti-, i el seu major avantatge és la seva alta seguretat. També té avantatges que els materials ternaris de l'òxid de manganès de liti i el níquel-manganès-cobalt no tenen, com ara una llarga vida útil, un baix cost del material i fonts abundants de matèries primeres. Les bateries LFP tenen una tensió estable, una tensió de funcionament moderada, una bona compatibilitat amb els sistemes d'electròlits, no són -tòxiques, no tenen efecte de memòria i no contaminen el medi ambient. La seva energia específica pot arribar als 100-130 Wh/kg, que és de 0,3 a 5 vegades la de les bateries de plom-àcid i 1,5 vegades la de les bateries de níquel-hidrur metàl·lic. Donats els seus nombrosos avantatges, es considera una bateria ideal per a vehicles elèctrics, emmagatzematge d'energia eòlica i solar, i bateries de seguretat segures per a ús domèstic.
Outlook per a altres materials de càtode per a bateries d'ions de liti-
▲Material càtode de fosfat de liti vanadi -
▲ Material càtode de fosfat de manganès de liti
▲ Material càtode de silicat de ferro de liti
▲ Material càtode de borat de ferro de liti
▲Materials de càtode en capes{0}}rics en liti
L'aparició dels materials de fosfat de ferro de liti (LFP) va establir les bases de la ciència dels materials per a l'aplicació generalitzada de bateries d'ions de liti-gran escala-.
Com és ben sabut, la seguretat de les bateries d'ions de liti-sempre ha estat un problema fonamental i crític que restringeix el desenvolupament de la indústria. Fins i tot als països desenvolupats amb propietats de materials estables i equips de processament sofisticats, la seguretat de les bateries d'ions de liti-no es pot garantir del tot. Tenint en compte el nivell relativament baix de processament de la bateria de ions de liti-al meu país, LFP s'adapta bé-a les condicions nacionals del meu país, la qual cosa millora significativament la seguretat de la bateria.