Díky neustálému přizpůsobování globální energetické struktury a rychlému rozvoji obnovitelné energie,skladování energietechnologie se postupně stává důležitou podporou transformace energie a hnací silou budoucího ekonomického rozvoje.
Úvod do technologie energetických akumulátorů
▲Přeměna, skladování a využití energie
▲Klasifikace a aplikace technologií skladování energie
▲Přehled baterií pro ukládání energie
▲Princip činnosti a složení akumulátorů energie
▲Výkonnostní ukazatele a související terminologie energetických akumulátorů
Energie je základní silou pohánějící svět a základním zdrojem, na kterém závisí rozvoj lidské společnosti. Od prvotního využití ohně až po dnešní elektřinu, rozvoj a využití energie poháněly pokrok civilizace a formovaly naši současnou sociální strukturu.
S nepřetržitým růstem celosvětové poptávky po energii a rychlým rozvojem obnovitelné energie se objevila technologie akumulátorových baterií, která se stala klíčovým pilířem energetického sektoru. Baterie pro ukládání energie mohou účinně ukládat přerušované zdroje energie, jako je větrná a solární energie, a uvolňovat je během období špičky, čímž zajišťují stabilitu dodávky energie. Tato technologie nejen snižuje závislost na tradičních fosilních palivech, ale poskytuje také důležité záruky pro dosažení nízkouhlíkových-a udržitelných energetických systémů.
Vývoj technologie akumulátorů pro ukládání energie, od tradičních olověných-kyselinových baterií po moderní lithium-iontové baterie a poté až po vznikající solid{2}}baterie a sodíkové-iontové baterie, neustále překonává technologická překážky. Zlepšením hustoty energie, prodloužením životnosti a zvýšením bezpečnosti prokázaly baterie pro skladování energie široké možnosti uplatnění v oblastech, jako je domácí skladování energie, doprava a regulace sítě. Dá se říci, že technologie akumulátorových baterií je nejen klíčová pro současnou transformaci energetické struktury, ale také jádro budoucích chytrých sítí a distribuovaných energetických systémů.
Technologie ukládání energie baterie-na bázi lithiové baterie
▲Struktura a princip fungování lithium-iontových baterií
▲Materiály katody lithium-iontových baterií
▲Materiály anody lithium-iontových baterií
▲Elektrolyt lithium-iontové baterie
▲Návrh a výroba lithium-iontových baterií
V roce 1970 vytvořil MS Whittingham ze společnosti ExxonMobil první lithium-iontovou baterii. Jako kladné a záporné elektrody použil disulfid titanu a kovové lithium. Během nabíjení a vybíjení je kovové lithium nepřetržitě spotřebováváno a generováno na záporné elektrodě, zatímco disulfid titanu nepřetržitě vkládá a extrahuje ionty lithia na kladné elektrodě. Tyto dva procesy jsou reverzibilní po celou dobu životnosti baterie a tvoří tak sekundární lithium-iontovou baterii s napětím 2V. V roce 1982 RR Agarwal a JR Selman z Illinois Institute of Technology objevili, že ionty lithia mají vlastnost interkalace do grafitu, což je proces, který je rychlý a reverzibilní...Od svého počátku výzkumu, vývoje, vývoje lithium{16} prošly lithium{16} evoluce. Díky svému vynikajícímu a pohodlnému výkonu stále více pronikají do různých oblastí, od produktů 3C, jako jsou mobilní telefony a tablety, až po energetická odvětví, jako jsou elektrická vozidla a{19}}velká pole pro ukládání energie, jako je fotovoltaika a větrná energie, a významně tak ovlivňují společenský život.
Co je to baterie?
▲ Historie vývoje baterie
▲Úvod do lithium{0}}iontových baterií
▲Funkce lithium-iontových baterií
▲Klíčové materiály v lithium-iontových bateriích
Baterie je druh zdroje energie. Zdroje energie se obecně dělí na fyzické zdroje energie a chemické zdroje energie. Fyzické zdroje energie zahrnují zařízení na výrobu solární energie, zařízení na výrobu termoelektrické energie, tepelné a vodní generátory atd.; zatímco chemické zdroje energie se týkají zařízení na výrobu energie, která mohou přímo přeměňovat chemickou energii na elektrickou energii, to znamená chemické baterie v obecném smyslu nebo jednoduše baterie.
Bateriové systémy se vyvíjely ve čtyřech generacích: olověné-kyselinové baterie, nikl-kadmiové baterie, nikl-metalhydridové baterie a lithium-iontové baterie. Výkon baterií se neustále zlepšoval a lidské chápání bateriových systémů se prohloubilo. V současné době jsou lithium-iontové baterie nejúčinnějším a energeticky-nejúčinnějším systémem dobíjecích baterií, což představuje nejvyšší úroveň výzkumu a technologie lidských baterií.
Historie výzkumu a vývoje Lithium Iron Phosphate materiálů
▲Historie vývoje materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲Patentová situace fosforečnanu lithného
▲Strukturální a výkonnostní studie materiálů fosforečnanu lithného a železa
Lithium-železofosfát (LiFeP, LFP, také známý jako lithium-železofosfát nebo lithium-železofosfát) je katodový materiál používaný v lithium-iontových bateriích. Vyznačuje se absencí vzácných prvků, jako je kobalt a nikl, nízkými cenami surovin a množstvím zdrojů fosforu, lithia a železa v zemské kůře, které mohou uspokojit tržní poptávku přesahující jeden milion tun ročně. Jako katodový materiál má fosforečnan lithný mírné provozní napětí (3,2 V), vysokou specifickou kapacitu (170 mA·h/g), vysoký vybíjecí výkon, schopnost rychlého nabíjení, dlouhou životnost cyklu a dobrou stabilitu za vysokých teplot a vysokých teplot.
Výrobní zařízení používané při výrobě materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲Požadavky na výrobní zařízení: míchací zařízení, sušicí zařízení, spékací zařízení, drtící zařízení; Prosévací zařízení; Generátor dusíku;Balící zařízení.
Když se při výrobě lithium-iontových baterií používají katodové materiály s fosforečnanem lithným (LFP), požadavky na jejich čistotu, fázi a nečistoty jsou extrémně přísné. Například, když stupeň oxidace dvojmocného železa v LFP dosáhne 1 %, může se specifická kapacita snížit o více než 30 %. Je to proto, že nově generované trojmocné železo pokrývá povrch LFP a vytváří reaktivní vrstvu, která zabraňuje dalším vnitřním reakcím. Pokud již byl LFP oxidován, následné redukční metody nemohou poskytnout LFP, protože ionty lithia v surovině již byly ztraceny.
Příprava materiálů fosforečnanu lithného a železa metodou oxalátu železnatého
▲Princip syntézy
▲Hlavní syntetické suroviny
▲ Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálů
Proces syntézy fosforečnanu lithného a železnatého za použití šťavelanu železnatého jako suroviny se nazývá metoda šťavelanu železnatého (nebo jednoduše železnatá metoda). V současné době je metoda oxalátu železnatého nejpoužívanějším procesem a metodou v Číně, používá ji více než polovina tuzemských výrobců. Jeho hlavními výhodami jsou nízké náklady na suroviny, jednoduchý proces a snadná kontrola poměrů přísad.
Příprava materiálů fosforečnanu lithného a železa karbotermální redukcí
▲Princip syntézy
▲Hlavní syntetické suroviny
▲ Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálů
Mezi výrobci vyrábějícími materiály na bázi fosforečnanu lithného a železa (LiFePO4) je karbotermální redukční metoda v současnosti po metodě oxalátu železnatého druhou nejpoužívanější technologií. Jeho hlavní surovinou je železité železo (Fe2PO4), včetně fosforečnanu železitého (Fe2PO4) a oxidu železa (Fe2O3). Během reakce uhlík (C) a oxid uhelnatý (C2O3) redukují železité železo (Fe2PO4) na železnaté železo (Fe2+), které pak vstupuje do krystalové mřížky a vytváří krystalickou strukturu fosforečnanu lithného a železnatého (LiFePO4).
Výhodou karbotermické redukční metody je, že při zpracování není třeba uvažovat o oxidaci surovin; různé způsoby míchání lze použít ke zpracování surovin k dosažení požadovaného stavu disperze. Pouze ve stádiu vysoké teploty uhlík redukuje železité železo na železnaté železo za vzniku fosforečnanu lithného železa, odtud název karbotermální redukční metoda. Metoda karbotermální redukce dosahuje -krokové redukce, snižuje produkci plynu a je prospěšná pro zlepšení výnosu. Současně je proces syntézy jednoduchý a snadno ovladatelný, což vede ke stále většímu počtu společností, které používají metodu karbotermální redukce.
Hydrotermální příprava materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲Princip syntézy
▲Hlavní syntetické suroviny
▲ Proces syntézy
▲Výkon syntetických materiálů
Hydrotermální metoda je poměrně pokročilá metoda přípravy katodových materiálů fosforečnanu lithného. Jeho hlavní proces využívá superkritický hydrotermální systém, který rozpouští síran železnatý, hydroxid lithný a kyselinu fosforečnou ve vodě a zahřívá roztok na více než 100 stupňů v uzavřeném prostředí, aby se vytvořil vysoko{2}}teplotní a vysokotlaký{3}}vodný roztok. Reakce probíhá iontovou difúzí za vzniku krystalických částic fosforečnanu lithného. Čistý materiál fosforečnanu lithného a železnatého se poté filtruje, suší a potahuje uhlíkem-, aby se vytvořil kompozit fosforečnan lithný a uhlík.
Konvenční zkušební a analytické metody pro materiály fosforečnanu lithného a železa
▲Analýza chemického složení a zkušební metody pro materiály fosforečnanu lithného a železa
▲Metody testování fyzikálních vlastností materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲ Metody testování elektrochemického výkonu pro materiály s fosforečnanem lithným a železem
▲Hodnocení praktických aplikací materiálů na bázi lithiumželezofosfátu
U materiálů s fosforečnanem lithným a železem (LFP) je testování základní technologií, ještě důležitější než řízení procesu syntézy. Bez přesných a přesných testovacích dat nelze získat stabilní podmínky procesu, a proto nelze vyrábět kvalifikované produkty LFP, které splňují požadavky na použití. Přísné testování materiálů je zásadní v celém výrobním procesu, od nákupu surovin a syntézy až po hodnocení hotového produktu. Proto každá jednotka zabývající se výzkumem a výrobou LFP musí klást velký důraz na konstrukci svého testovacího systému. Používání sofistikovaného testovacího vybavení, přísné testovací metody a dobře{4}}vyškolený testovací personál jsou základními podmínkami pro udržení pozice společnosti v oboru.
Analýza dalších charakteristických vlastností materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲ Analýza elektrochemického výkonu materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲ Elektronová mikroskopická morfologická analýza materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲Povrchová energie materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲Měření rozpustnosti železa v materiálech fosforečnanu lithného
▲Spektroskopické charakteristiky materiálů fosforečnanu lithného a železa
Při praktické aplikaci materiálů na bázi fosforečnanu lithného a železa je kromě rutinních výkonnostních testů také nutné měřit některé specifické vlastnosti, které poskytují reference pro hodnocení výkonnosti materiálu a výrobní procesy baterií. S pokrokem technologie lze nyní některé parametry, které bylo možné dříve měřit pouze pomocí plných buněk, určit pomocí jednoduchých metod. Například výkonnost cyklu lithium-železofosfátových materiálů, zejména výkonnost uhlíkového cyklu, lze nyní hodnotit pomocí speciálně navržených mincových článků, což značně zjednodušuje proces měření.
Technologie výroby baterií s použitím materiálů fosforečnanu lithného a železa
▲ Specifikace konstrukce systému lithium-železofosfátových baterií
▲ Technologie přípravy suspenze materiálu s fosforečnanem lithným
▲ Povlak suspenze fosforečnanu lithného a železa
▲Válcování lithium-železofosfátových elektrod
▲Transformace a rozdělení
▲Další příklady výroby baterií
U jakékoli lithium-iontové baterie je prvotní návrh primárním úkolem. Konstrukční práce zahrnuje určení výrobního procesu lithium-iontové baterie. Vzhledem k tomu, že výkon baterie je určován hlavně elektrodami, je konstrukce elektrod základním aspektem výrobního procesu baterie. To platí také pro lithium-železofosfátové baterie.
Hlavní oblasti použití lithium-železofosfátových baterií
▲ Aplikace lithium-železofosfátových baterií v elektrických dopravních zařízeních
▲ Aplikace lithium-železo fosfátových baterií v zásobování energií pro skladování energie
▲ Aplikace lithium-železofosfátových baterií v elektrickém nářadí
▲ Aplikace lithium-železofosfátových baterií
Lithium-železofosfát (LFP) je katodový materiál pro lithium-iontové baterie a jeho největší výhodou je vysoká bezpečnost. Má také výhody, které ternární materiály lithno-manganový a nikl-mangan-kobaltové postrádají, jako je dlouhá životnost, nízké materiálové náklady a bohaté zdroje surovin. Baterie LFP mají stabilní napětí, mírné provozní napětí, dobrou kompatibilitu s elektrolytickými systémy, nejsou-toxické, nemají paměťový efekt a neznečišťují životní prostředí. Jejich specifická energie může dosáhnout 100–130 Wh/kg, což je 0,3–5krát více než u olověných{11}}kyselinových baterií a 1,5krát více než u nikl{13}}metalhydridových baterií. Vzhledem ke svým četným výhodám je považována za ideální baterii pro elektromobily, úložiště větrné a solární energie a bezpečné záložní baterie pro domácí použití.
Vyhlídky na další katodové materiály pro lithiové-iontové baterie
▲Materiál katody fosforečnan lithno-vanadnatý -
▲ Materiál katody fosforečnan lithný a mangan
▲Katodový materiál z křemičitanu litného železa
▲ Materiál katody na bázi boritanu lithného
▲Vrstvené katodové materiály-bohaté na lithium
Vznik materiálů s fosforečnanem lithným a železem (LFP) položil základy vědy o materiálech pro širokou aplikaci velkých-lithium{1}}iontových baterií.
Jak je dobře známo, bezpečnost lithium-iontových baterií byla vždy základním a kritickým problémem, který omezoval rozvoj tohoto odvětví. Ani ve vyspělých zemích se stabilními materiálovými vlastnostmi a sofistikovaným zpracovatelským zařízením nelze plně zaručit bezpečnost lithium-iontových baterií. Vzhledem k současné relativně nízké úrovni zpracování lithium-iontových baterií v mé zemi se LFP-dobře hodí pro národní podmínky mé země a výrazně zvyšuje bezpečnost baterií.