Благодаря постоянной корректировке глобальной энергетической структуры и быстрому развитию возобновляемых источников энергии,накопитель энергиитехнологии постепенно становятся важной поддержкой трансформации энергетики и движущей силой будущего экономического развития.
Введение в технологию аккумуляторных батарей
▲Преобразование, хранение и использование энергии
▲Классификация и применение технологий хранения энергии
▲Обзор аккумуляторов для хранения энергии
▲Принцип работы и состав аккумуляторных батарей.
▲Показатели эффективности и соответствующая терминология аккумуляторных батарей
Энергия – это фундаментальная сила, движущая миром, и основной ресурс, от которого зависит развитие человеческого общества. От первоначального использования огня до сегодняшнего электричества, развитие и использование энергии стимулировали прогресс цивилизации и сформировали нашу нынешнюю социальную структуру.
В условиях постоянного роста мирового спроса на энергию и быстрого развития возобновляемых источников энергии появилась технология аккумуляторных батарей, которая стала важнейшей опорой энергетического сектора. Аккумуляторы энергии могут эффективно хранить прерывистые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, и высвобождать их в периоды пиковой нагрузки, обеспечивая стабильность электроснабжения. Эта технология не только снижает зависимость от традиционного ископаемого топлива, но и обеспечивает важные гарантии для создания низко-углеродоемких и устойчивых энергетических систем.
Развитие технологии аккумуляторных батарей, от традиционных свинцово--кислотных батарей до современных литий--ионных батарей, а затем и новых твердотельных-батарей и натриево-ионных-батарей, постоянно преодолевает технологические узкие места. Повышая плотность энергии, продлевая срок службы и повышая безопасность, аккумуляторные батареи показали широкие перспективы применения в таких областях, как домашнее хранение энергии, транспорт и регулирование электросетей. Можно сказать, что технология аккумуляторных батарей является не только ключом к нынешней трансформации энергетической структуры, но и основой будущих интеллектуальных сетей и распределенных энергетических систем.
Технология хранения энергии на основе литиевых-батарей
▲Устройство и принцип работы литий-ионных-аккумуляторов
▲Материалы катода литий-ионных аккумуляторов-
▲Материалы анодов литий-ионных аккумуляторов-
▲Электролит литий-ионного-аккумулятора
▲Разработка и производство литий-ионных-аккумуляторов
В 1970 году М. С. Уиттингем из ExxonMobil создал первую литий-ионную батарею. Он использовал дисульфид титана и металлический литий в качестве положительного и отрицательного электродов соответственно. Во время зарядки и разрядки металлический литий постоянно потребляется и генерируется на отрицательном электроде, в то время как дисульфид титана непрерывно вводит и извлекает ионы лития на положительном электроде. Эти два процесса обратимы на протяжении всего срока службы батареи, образуя таким образом вторичную литий-ионную батарею с напряжением 2 В. В 1982 году Р. Р. Агарвал и Дж. Р. Селман из Технологического института Иллинойса обнаружили, что ионы лития обладают свойством интеркалировать в графит, процесс, который является быстрым и обратимым... С момента своего создания литий-ионные батареи подверглись процессу исследований, разработок и эволюция. Благодаря своей превосходной и удобной работе они все чаще проникают в различные области: от продуктов 3C, таких как мобильные телефоны и планшеты, до секторов энергетики, таких как электромобили, и крупномасштабных областей хранения энергии, таких как фотоэлектрические и ветровые электростанции, существенно влияя на общественную жизнь.
Что такое батарея?
▲История развития батареи
▲Знакомство с литий-ионными-батареями
▲Характеристики литий-ионных-аккумуляторов
▲Основные материалы литий-ионных-батарей
Аккумулятор — это тип источника питания. Источники энергии обычно делятся на физические источники энергии и химические источники энергии. К физическим источникам энергии относятся устройства по выработке солнечной энергии, устройства по выработке термоэлектрической энергии, тепловые и гидроэлектрогенераторы и т.д.; под химическими источниками энергии понимаются устройства генерации электроэнергии, способные непосредственно преобразовывать химическую энергию в электрическую, то есть химические батареи в общем смысле или просто батареи.
В развитии аккумуляторных систем прошло четыре поколения: свинцово--кислотные батареи, никель--кадмиевые батареи, никель--металлогидридные батареи и литий--ионные батареи. Производительность аккумуляторов постоянно улучшается, а человеческое понимание аккумуляторных систем углубляется. В настоящее время литий-ионные-батареи являются наиболее эффективной и энергосберегающей-перезаряжаемой аккумуляторной системой, представляющей собой высший уровень исследований и технологий, созданных человеком.
История исследований и разработок литий-железо-фосфатных материалов
▲История развития литий-железофосфатных материалов
▲Патентная защита литий-железофосфата
▲Исследование структуры и характеристик литий-железофосфатных материалов
Литий-железо-фосфат (LiFeP, LFP, также известный как литий-железо-фосфат или литий-железо-фосфат) — это катодный материал, используемый в литий-ионных батареях. Он характеризуется отсутствием таких драгоценных элементов, как кобальт и никель, низкими ценами на сырье и обилием ресурсов фосфора, лития и железа в земной коре, которые могут удовлетворить рыночный спрос, превышающий один миллион тонн в год. В качестве катодного материала литий-железофосфат имеет умеренное рабочее напряжение (3,2 В), высокую удельную емкость (170 мА·ч/г), высокую мощность разряда, возможность быстрой зарядки, длительный срок службы и хорошую стабильность в условиях высоких температур и высоких температур.
Производственное оборудование, используемое при производстве литий-железофосфатных материалов
▲Требования к производственному оборудованию:;Смесительное оборудование;Сушильное оборудование;Агломерационное оборудование;Дробильное оборудование; Скрининговое оборудование; Генератор азота;Упаковочное оборудование.
Когда в производстве литий-ионных аккумуляторов используются катодные материалы из литий-железо-фосфата (LFP), требования к их чистоте, фазе и примесям чрезвычайно строгие. Например, при достижении степени окисления двухвалентного железа в ЛФП 1% удельная емкость может снизиться более чем на 30%. Это связано с тем, что вновь образованное трехвалентное железо покрывает поверхность LFP, образуя реактивный слой, который предотвращает дальнейшие внутренние реакции. Если LFP уже окислен, последующие методы восстановления не могут дать LFP, поскольку ионы лития в сырье уже потеряны.
Получение литий-железофосфатных материалов оксалатным методом железа.
▲Принцип синтеза
▲Основное синтетическое сырье
▲Процесс синтеза
▲Характеристики синтетических материалов
Процесс синтеза фосфата лития-железа с использованием оксалата железа в качестве сырья называется оксалатным методом железа (или просто оксалатом железа). В настоящее время метод оксалата железа является наиболее широко используемым процессом и методом в Китае, его используют более половины отечественных производителей. Его основными преимуществами являются низкие затраты на сырье, простой процесс и легкий контроль соотношения ингредиентов.
Получение литий-железофосфатных материалов карботермическим восстановлением
▲Принцип синтеза
▲Основное синтетическое сырье
▲Процесс синтеза
▲Характеристики синтетических материалов
Среди производителей, производящих литий-железо-фосфатные материалы (LiFePO4), метод карботермического восстановления в настоящее время является второй по распространенности технологией после метода оксалата железа. Его основным сырьем является трехвалентное железо (Fe2PO4), включая фосфат железа (Fe2PO4) и оксид железа (Fe2O3). В ходе реакции углерод (С) и окись углерода (С2О3) восстанавливают трехвалентное железо (Fe2PO4) до двухвалентного железа (Fe2+), которое затем входит в кристаллическую решетку, образуя кристаллическую структуру фосфата лития-железа (LiFePO4).
Преимущество метода карботермического восстановления состоит в том, что во время обработки не нужно учитывать окисление сырья; Для обработки сырья для достижения желаемого состояния дисперсии можно использовать различные методы смешивания. Только на стадии высокой температуры углерод восстанавливает трехвалентное железо до двухвалентного железа, образуя фосфат лития-железа, отсюда и название метода карботермического восстановления. Метод карботермического восстановления обеспечивает одноступенчатое восстановление, снижает выход газа и способствует повышению выхода. В то же время процесс синтеза прост и легко контролируется, что приводит к тому, что все больше компаний используют метод карботермического восстановления.
Гидротермическое получение литий-железофосфатных материалов
▲Принцип синтеза
▲Основное синтетическое сырье
▲Процесс синтеза
▲Характеристики синтетических материалов
Гидротермальный метод является относительно продвинутым методом получения катодных материалов из литий-железофосфата. В его основном процессе используется сверхкритическая гидротермальная система, в которой растворяется сульфат железа, гидроксид лития и фосфорная кислота в воде, нагревается раствор до температуры более 100 градусов в герметичной среде с образованием водного раствора с высокой-температурой и высоким-давлением. Реакция протекает посредством диффузии ионов, в результате чего образуются кристаллические частицы фосфата лития-железа. Чистый литий-железо-фосфатный материал затем фильтруют, сушат и наносят углеродное -покрытие с образованием композита литий-железо-фосфат/углерод.
Традиционные методы тестирования и анализа литий-железофосфатных материалов
▲Анализ химического состава и методы испытаний литий-железофосфатных материалов
▲Методы испытаний физических свойств литий-железофосфатных материалов
▲Методы испытаний электрохимических характеристик литий-железофосфатных материалов
▲Оценка практического применения литий-железо-фосфатных материалов
Для материалов из литий-железо-фосфата (LFP) тестирование является основной технологией, даже более важной, чем контроль процесса синтеза. Без точных и точных данных испытаний невозможно получить стабильные условия технологического процесса, и, следовательно, невозможно производить квалифицированную продукцию LFP, отвечающую требованиям использования. Тщательное тестирование материалов имеет важное значение на протяжении всего производственного процесса, от закупки и синтеза сырья до оценки готовой продукции. Поэтому любое подразделение, занимающееся исследованиями и производством LFP, должно уделять большое внимание построению своей системы тестирования. Использование сложного испытательного оборудования, строгие методы тестирования и хорошо-квалифицированный персонал по тестированию являются фундаментальными условиями для сохранения компанией своих позиций в отрасли.
Анализ других характерных свойств литий-железофосфатных материалов
▲Анализ электрохимических характеристик литий-железофосфатных материалов
▲Электронно-микроскопический анализ морфологии литий-железофосфатных материалов
▲Поверхностная энергия литий-железофосфатных материалов
▲Измерение растворимости железа в литий-железофосфатных материалах
▲Спектроскопические характеристики литий-железофосфатных материалов
При практическом применении литий-железо-фосфатных материалов, помимо обычных испытаний производительности, также необходимо измерить некоторые конкретные свойства, чтобы обеспечить основу для оценки характеристик материала и процессов производства аккумуляторов. С развитием технологий некоторые параметры, которые раньше можно было измерить только с использованием полных ячеек, теперь можно определить с помощью простых методов. Например, циклические характеристики литий-железо-фосфатных материалов, особенно характеристики углеродного цикла, теперь можно оценить с помощью специально разработанных монетообразных элементов, что значительно упрощает процесс измерения.
Технология изготовления аккумуляторов с использованием литий-железофосфатных материалов
▲Технические характеристики системы литий-железо-фосфатных аккумуляторов
▲Технология приготовления суспензии литий-железо-фосфатного материала
▲Покрытие суспензией литий-железофосфата
▲Прокатка литий-железо-фосфатных электродов
▲Трансформация и разделение
▲Другие примеры производства аккумуляторов
Для любой литий-ионной-батареи первоначальная разработка – это первоочередная задача. Проектные работы включают определение процесса изготовления литий-ионного-аккумулятора. Поскольку производительность батареи в основном определяется электродами, конструкция электродов является ключевым аспектом процесса производства батареи. Это также справедливо и для литий-железо-фосфатных аккумуляторов.
Основные области применения литий-железо-фосфатных аккумуляторов
▲Применение литий-железо-фосфатных аккумуляторов в электротранспортных устройствах
▲Применение литий-железо-фосфатных батарей в источниках питания для хранения энергии
▲Применение литий-железо-фосфатных аккумуляторов в электроинструментах
▲Применение литий-железо-фосфатных батарей
Литий-железо-фосфат (LFP) — катодный материал для литий-ионных-аккумуляторов, и его главным преимуществом является высокая безопасность. Он также обладает преимуществами, которых нет у тройных материалов из оксида лития-марганца и никеля-марганца-кобальта, таких как длительный срок службы, низкая стоимость материала и обильные источники сырья. Аккумуляторы LFP имеют стабильное напряжение, умеренное рабочее напряжение, хорошую совместимость с электролитными системами, не-токсичны, не имеют эффекта памяти и не загрязняют окружающую среду. Их удельная энергия может достигать 100–130 Втч/кг, что в 0,3–5 раз выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов и в 1,5 раза больше, чем у никель--металлогидридных аккумуляторов. Учитывая его многочисленные преимущества, он считается идеальным аккумулятором для электромобилей, накопителем ветровой и солнечной энергии, а также безопасным резервным аккумулятором для домашнего использования.
Перспективы других катодных материалов для литий-ионных-аккумуляторов
▲Литий-ванадий-фосфатный катодный материал -
▲Литий-марганцево-фосфатный катодный материал
▲Литий-железосиликатный катодный материал
▲Литий-железоборатный катодный материал
▲Литий-слоистые катодные материалы
Появление литий-железо-фосфатных материалов (LFP) заложило материальную основу для широкого применения-литий-ионных-батарей большого размера.
Как известно, безопасность литий-ионных-батарей всегда была основной и критической проблемой, ограничивающей развитие отрасли. Даже в развитых странах со стабильными свойствами материалов и сложным технологическим оборудованием безопасность литий-ионных аккумуляторов не может быть полностью гарантирована. Учитывая текущий относительно низкий уровень переработки литий-ионных аккумуляторов в моей стране, LFP хорошо-подходит для национальных условий моей страны, значительно повышая безопасность аккумуляторов.