Med den kontinuerlige justeringen av den globale energistrukturen og den raske utviklingen av fornybar energi,energilagringteknologi er gradvis i ferd med å bli en viktig støtte for energitransformasjon og drivkraft for fremtidig økonomisk utvikling.
Introduksjon til energilagringsbatteriteknologi
▲Energikonvertering, lagring og utnyttelse
▲Klassifisering og anvendelse av energilagringsteknologier
▲Oversikt over energilagringsbatterier
▲Arbeidsprinsipp og sammensetning av energilagringsbatterier
▲Ytelsesindikatorer og relatert terminologi for energilagringsbatterier
Energi er den grunnleggende kraften som driver verden og en kjerneressurs som det menneskelige samfunn er avhengig av for utvikling. Fra den første bruken av ild til dagens elektrisitet, har utviklingen og utnyttelsen av energi drevet frem sivilisasjonens fremgang og formet vår nåværende sosiale struktur.
Med den kontinuerlige veksten av global energietterspørsel og den raske utviklingen av fornybar energi, har teknologi for energilagringsbatterier dukket opp og blitt en avgjørende pilar i energisektoren. Energilagringsbatterier kan effektivt lagre intermitterende energikilder som vind- og solenergi og frigjøre dem i perioder med høy etterspørsel, noe som sikrer stabiliteten til strømforsyningen. Denne teknologien reduserer ikke bare avhengigheten av tradisjonelle fossile brensler, men gir også viktige garantier for å oppnå lav-karbon og bærekraftige energisystemer.
Utviklingen av teknologi for energilagringsbatterier, fra tradisjonelle bly-syrebatterier til moderne litium-ionbatterier, og deretter til nye solid-batterier og natrium-ionbatterier, bryter stadig gjennom teknologiske flaskehalser. Ved å forbedre energitettheten, forlenge levetiden og øke sikkerheten, har energilagringsbatterier vist brede bruksmuligheter innen områder som energilagring i hjemmet, transport og nettregulering. Det kan sies at teknologi for energilagringsbatterier ikke bare er nøkkelen til dagens energistrukturtransformasjon, men også kjernen i fremtidige smarte nett og distribuerte energisystemer.
Litium-basert batterilagringsteknologi for energi
▲Struktur og arbeidsprinsipp for litium-ion-batterier
▲Litium-ionbatteri katodematerialer
▲Litium-ionbatterianodematerialer
▲Litium-ion batterielektrolytt
▲Design og produksjon av litium-ion-batterier
I 1970 skapte MS Whittingham fra ExxonMobil det første litium-ionbatteriet. Han brukte titandisulfid og metallisk litium som henholdsvis positive og negative elektroder. Under lading og utlading forbrukes og genereres metallisk litium kontinuerlig ved den negative elektroden, mens titandisulfid kontinuerlig setter inn og trekker ut litiumioner ved den positive elektroden. Disse to prosessene er reversible gjennom hele batteriets levetid, og danner dermed et sekundært litium-ionbatteri med en spenning på 2V. I 1982 oppdaget RR Agarwal og JR Selman ved Illinois Institute of Technology at litiumioner har egenskapen til å interkalere til grafitt, en prosess som er rask og reversibel{6} en prosess med forskning, utvikling og evolusjon. Med sin overlegne og praktiske ytelse trenger de i økende grad gjennom ulike felt, fra 3C-produkter som mobiltelefoner og nettbrett til energisektorer som elektriske kjøretøy og store{19}}energilagringsfelt som solceller og vindkraft, noe som påvirker det sosiale livet betydelig.
Hva er et batteri?
▲Batteriutviklingshistorikk
▲Introduksjon til litium-ion-batterier
▲Funksjoner til litium-ion-batterier
▲Nøkkelmateriale i litium-ion-batterier
Et batteri er en type strømkilde. Strømkilder er generelt delt inn i fysiske kraftkilder og kjemiske kraftkilder. Fysiske kraftkilder inkluderer solenergigenereringsenheter, termoelektriske kraftgenereringsenheter, termiske og vannkraftgeneratorer, etc.; mens kjemiske kraftkilder refererer til kraftgenereringsenheter som direkte kan konvertere kjemisk energi til elektrisk energi, det vil si kjemiske batterier i generell forstand, eller ganske enkelt batterier.
Batterisystemer har utviklet seg gjennom fire generasjoner: bly-syrebatterier, nikkel-kadmiumbatterier, nikkel-metallhydridbatterier og litium-ionbatterier. Batteriytelsen har blitt kontinuerlig forbedret, og menneskelig forståelse av batterisystemer har blitt dypere. For øyeblikket er litium-ionbatterier det mest effektive og energieffektive-oppladbare batterisystemet, og representerer det høyeste nivået innen menneskelig batteriforskning og -teknologi.
Forsknings- og utviklingshistorie for litiumjernfosfatmaterialer
▲Utviklingshistorie for litiumjernfosfatmaterialer
▲Patentsituasjon for litiumjernfosfat
▲ Struktur- og ytelsesstudier av litiumjernfosfatmaterialer
Litiumjernfosfat (LiFeP, LFP, også kjent som litiumjernfosfat eller litiumjernfosfat) er et katodemateriale som brukes i litium-ionbatterier. Den er preget av fraværet av dyrebare elementer som kobolt og nikkel, lave råvarepriser og overflod av fosfor, litium og jernressurser i jordskorpen, som kan møte markedsetterspørselen på over en million tonn per år. Som katodemateriale har litiumjernfosfat en moderat driftsspenning (3,2V), høy spesifikk kapasitet (170mA·h/g), høy utladningseffekt, hurtigladeevne, lang sykluslevetid og god stabilitet under høye temperaturer og høye varmemiljøer.
Produksjonsutstyr som brukes til fremstilling av litiumjernfosfatmaterialer
▲ Krav til produksjonsutstyr:;Mixeutstyr;Tørkeutstyr;Sintringsutstyr;Knusingsutstyr; Screening utstyr; Nitrogengenerator; emballasjeutstyr.
Når litiumjernfosfat (LFP) katodematerialer brukes i produksjon av litium-ionbatterier, er kravene til deres renhet, fase og urenheter ekstremt strenge. For eksempel, når oksidasjonsgraden av toverdig jern i LFP når 1 %, kan den spesifikke kapasiteten reduseres med mer enn 30 %. Dette er fordi det nylig genererte trivalente jernet dekker overflaten av LFP, og danner et reaktivt lag som forhindrer ytterligere indre reaksjoner. Hvis LFP allerede er oksidert, kan ikke påfølgende reduksjonsmetoder gi LFP fordi litiumionene i råmaterialet allerede er tapt.
Fremstilling av litiumjernfosfatmaterialer ved jernholdig oksalatmetode
▲Synteseprinsipp
▲ Hovedsyntetiske råvarer
▲Synteseprosess
▲ Ytelse av syntetiske materialer
Prosessen med å syntetisere litiumjernfosfat ved bruk av jernholdig oksalat som råmateriale kalles jernholdig oksalatmetode (eller ganske enkelt jernholdig metode). For tiden er jernoksalatmetoden den mest brukte prosessen og metoden i Kina, med mer enn halvparten av innenlandske produsenter som bruker den. Hovedfordelene er lave råvarekostnader, enkel prosess og enkel kontroll av ingrediensforhold.
Fremstilling av litiumjernfosfatmaterialer ved karbotermisk reduksjon
▲Synteseprinsipp
▲ Hovedsyntetiske råvarer
▲Synteseprosess
▲ Ytelse av syntetiske materialer
Blant produsenter som produserer litiumjernfosfat (LiFePO4)-materialer, er den karbotermiske reduksjonsmetoden for tiden den nest mest brukte teknologien etter ferrooksalatmetoden. Hovedråstoffet er jern (Fe2PO4), inkludert jernfosfat (Fe2PO4) og jernoksid (Fe2O3). Under reaksjonen reduserer karbon (C) og karbonmonoksid (C2O3) jern (Fe2PO4) til jernholdig jern (Fe2+), som deretter går inn i krystallgitteret, og danner krystallstrukturen til litiumjernfosfat (LiFePO4).
Fordelen med den karbotermiske reduksjonsmetoden er at oksidasjonen av råvarene ikke trenger å vurderes under bearbeiding; ulike blandingsmetoder kan brukes til å behandle råvarene for å oppnå ønsket dispersjonstilstand. Bare på høytemperaturstadiet reduserer karbon jern(III)jern til jernholdig jern, og danner litiumjernfosfat, derav navnet karbotermisk reduksjonsmetode. Den karbotermiske reduksjonsmetoden oppnår ett-trinnsreduksjon, reduserer gassproduksjonen og er gunstig for å forbedre utbyttet. Samtidig er synteseprosessen enkel og lett å kontrollere, noe som fører til at et økende antall selskaper tar i bruk den karbotermiske reduksjonsmetoden.
Hydrotermisk fremstilling av litiumjernfosfatmaterialer
▲Synteseprinsipp
▲ Hovedsyntetiske råvarer
▲Synteseprosess
▲ Ytelse av syntetiske materialer
Den hydrotermiske metoden er en relativt avansert metode for fremstilling av litiumjernfosfatkatodematerialer. Hovedprosessen bruker et superkritisk hydrotermisk system som løser opp jern(II)sulfat, litiumhydroksid og fosforsyre i vann, og oppvarmer løsningen til over 100 grader i et forseglet miljø for å danne en vandig oppløsning med høy-temperatur og høyt-trykk. Reaksjonen fortsetter gjennom iondiffusjon, og genererer litiumjernfosfatkrystallpartikler. Det rene litiumjernfosfatmaterialet blir deretter filtrert, tørket og karbon-belagt for å danne en litiumjernfosfat/karbonkompositt.
Konvensjonelle test- og analysemetoder for litiumjernfosfatmaterialer
▲ Kjemisk sammensetningsanalyse og testmetoder for litiumjernfosfatmaterialer
▲ Testmetoder for fysiske egenskaper for litiumjernfosfatmaterialer
▲ Elektrokjemiske ytelsestestmetoder for litiumjernfosfatmaterialer
▲Evaluering av praktiske anvendelser av litiumjernfosfatmaterialer
For litiumjernfosfatmaterialer (LFP) er testing en kjerneteknologi, enda viktigere enn synteseprosesskontroll. Uten presise og nøyaktige testdata kan ikke stabile prosessforhold oppnås, og dermed kan ikke kvalifiserte LFP-produkter som oppfyller brukskrav produseres. Strenge testing av materialer er avgjørende gjennom hele produksjonsprosessen, fra råvareinnkjøp og syntese til ferdigproduktevaluering. Derfor må enhver enhet som forsker på og produserer LFP legge stor vekt på konstruksjonen av sitt testsystem. Bruk av sofistikert testutstyr, strenge testmetoder og godt-trent testpersonell er grunnleggende forutsetninger for at et selskap kan opprettholde sin posisjon i bransjen.
Analyse av andre karakteristiske egenskaper til litiumjernfosfatmaterialer
▲ Elektrokjemisk ytelsesanalyse av litiumjernfosfatmaterialer
▲ Elektronmikroskopisk morfologianalyse av litiumjernfosfatmaterialer
▲ Overflateenergi til litiumjernfosfatmaterialer
▲Måling av jernløselighet i litiumjernfosfatmaterialer
▲Spektroskopiske egenskaper til litiumjernfosfatmaterialer
I den praktiske anvendelsen av litiumjernfosfatmaterialer, i tillegg til de rutinemessige ytelsestestene, er det også nødvendig å måle noen spesifikke egenskaper for å gi en referanse for materialytelsesevaluering og batteriproduksjonsprosesser. Med fremskritt av teknologi kan noen parametere som tidligere kun kunne måles med fullceller nå bestemmes ved hjelp av enkle metoder. For eksempel kan syklusytelsen til litiumjernfosfatmaterialer, spesielt karbonsyklusytelsen, nå evalueres ved å bruke spesialdesignede myntceller, noe som i stor grad forenkler måleprosessen.
Batteriproduksjonsteknologi ved bruk av litiumjernfosfatmaterialer
▲ Designspesifikasjoner for litiumjernfosfatbatterisystem
▲Litiumjernfosfatmateriale oppslemmingsteknologi
▲Belegg av litiumjernfosfatslurry
▲Rulling av litiumjernfosfatelektroder
▲Transformasjon og divisjon
▲Andre eksempler på batteriproduksjon
For ethvert litium-ionbatteri er den første utformingen hovedoppgaven. Designarbeidet innebærer å bestemme produksjonsprosessen til litium-ionbatteriet. Siden batteriytelsen hovedsakelig bestemmes av elektrodene, er elektrodedesign et kjerneaspekt i batteriproduksjonsprosessen. Dette gjelder også for litiumjernfosfatbatterier.
Hovedbruksområder for litiumjernfosfatbatterier
▲Anvendelser av litiumjernfosfatbatterier i elektriske transportenheter
▲Anvendelser av litiumjernfosfatbatterier i energilagringsstrømforsyning
▲Anvendelser av litiumjernfosfatbatterier i elektroverktøy
▲Anvendelser av litiumjernfosfatbatterier
Litiumjernfosfat (LFP) er katodematerialet for litium-ion-batterier, og den største fordelen er den høye sikkerheten. Det har også fordeler som litiummanganoksid og nikkel-mangan-kobolt ternære materialer mangler, for eksempel lang levetid, lave materialkostnader og rikelig med råmaterialekilder. LFP-batterier har stabil spenning, moderat driftsspenning, god kompatibilitet med elektrolyttsystemer, er ikke-toksiske, har ingen minneeffekt og forurenser ikke miljøet. Deres spesifikke energi kan nå 100–130 Wh/kg, som er 0,3–5 ganger den for bly-syrebatterier og 1,5 ganger den for nikkel-metallhydridbatterier. Gitt de mange fordelene, regnes det som et ideelt batteri for elektriske kjøretøy, vind- og solenergilagring og trygge reservebatterier for hjemmebruk.
Outlook for andre katodematerialer for litium-ion-batterier
▲Litiumvanadiumfosfatkatodemateriale -
▲ Litium mangan fosfat katode materiale
▲Litiumjernsilikatkatodemateriale
▲Litiumjernboratkatodemateriale
▲Litium-rike lagdelte katodematerialer
Fremveksten av litiumjernfosfat (LFP)-materialer la det materialvitenskapelige grunnlaget for den utbredte bruken av store-litium-ionbatterier.
Som kjent har sikkerheten til litium-ion-batterier alltid vært et sentralt og kritisk problem som begrenser industriens utvikling. Selv i utviklede land med stabile materialegenskaper og sofistikert prosessutstyr, kan ikke sikkerheten til litium-ion-batterier garanteres fullt ut. Gitt det nåværende relativt lave nivået av prosessering av litium-ionbatterier i mitt land, er LFP godt-egnet til mitt lands nasjonale forhold, noe som forbedrer batterisikkerheten betydelig.