Co continuo axuste da estrutura enerxética global e o rápido desenvolvemento das enerxías renovables,almacenamento de enerxíaA tecnoloxía está a converterse gradualmente nun importante apoio para a transformación enerxética e impulsar o desenvolvemento económico futuro.
Introdución á tecnoloxía de baterías de almacenamento de enerxía
▲Conversión, almacenamento e utilización de enerxía
▲Clasificación e aplicación das tecnoloxías de almacenamento de enerxía
▲Visión xeral das baterías de almacenamento de enerxía
▲Principio de funcionamento e composición das baterías de almacenamento de enerxía
▲Indicadores de rendemento e terminoloxía relacionada das baterías de almacenamento de enerxía
A enerxía é a forza fundamental que impulsa o mundo e un recurso central do que depende a sociedade humana para o desenvolvemento. Desde o uso inicial do lume ata a electricidade actual, o desenvolvemento e a utilización da enerxía impulsou o progreso da civilización e moldeou a nosa estrutura social actual.
Co continuo crecemento da demanda mundial de enerxía e o rápido desenvolvemento das enerxías renovables, a tecnoloxía de baterías de almacenamento de enerxía xurdiu e converteuse nun piar crucial do sector enerxético. As baterías de almacenamento de enerxía poden almacenar eficazmente fontes de enerxía intermitentes como a enerxía eólica e solar e liberalas durante os períodos de demanda máxima, garantindo a estabilidade da subministración de enerxía. Esta tecnoloxía non só reduce a dependencia dos combustibles fósiles tradicionais, senón que tamén ofrece importantes garantías para conseguir sistemas enerxéticos sustentables e baixos-carbonos.
O desenvolvemento da tecnoloxía de baterías de almacenamento de enerxía, desde as tradicionales baterías de chumbo-ácido ata as modernas baterías de-ión de litio, e despois ata as emerxentes baterías de estado sólido-e as baterías de ión-de sodio, está a romper constantemente os pescozos de botella tecnolóxicos. Ao mellorar a densidade de enerxía, prolongar a vida útil e mellorar a seguridade, as baterías de almacenamento de enerxía mostraron amplas perspectivas de aplicación en áreas como o almacenamento de enerxía doméstica, o transporte e a regulación da rede. Pódese dicir que a tecnoloxía de baterías de almacenamento de enerxía non só é clave para a transformación da estrutura enerxética actual, senón tamén o núcleo das futuras redes intelixentes e sistemas de enerxía distribuída.
Tecnoloxía de almacenamento de enerxía da batería baseada en litio-
▲Estrutura e principio de funcionamento das baterías de-ións de litio
▲Materiais de cátodo da batería de ión de litio{0}
▲Materiais do ánodo da batería de ión de litio{0}
▲Electrólito da batería de iones de litio{0}
▲Deseño e fabricación de baterías de-ións de litio
En 1970, MS Whittingham de ExxonMobil creou a primeira batería de-ión de litio. Utilizou disulfuro de titanio e litio metálico como electrodos positivos e negativos, respectivamente. Durante a carga e descarga, o litio metálico consúmese e xérase continuamente no electrodo negativo, mentres que o disulfuro de titanio insire e extrae continuamente ións de litio no electrodo positivo. Estes dous procesos son reversibles ao longo da vida útil da batería, formando así unha batería de iones de litio-secundario cunha tensión de 2V. En 1982, RR Agarwal e JR Selman do Instituto Tecnolóxico de Illinois descubriron que os ións de litio teñen a propiedade de intercalarse en grafito, un proceso que é rápido e reversible... investigación, desenvolvemento e evolución. Co seu rendemento superior e cómodo, están penetrando cada vez máis en diversos campos, desde produtos 3C como teléfonos móbiles e tabletas ata sectores de enerxía como os vehículos eléctricos e campos de almacenamento de enerxía a gran-escala como a fotovoltaica e a enerxía eólica, o que ten un impacto significativo na vida social.
Que é unha batería?
▲ Historial de desenvolvemento da batería
▲Introdución ás baterías de-ión de litio
▲Características das baterías de-ións de litio
▲Materiais clave en baterías de-ións de litio
Unha batería é un tipo de fonte de enerxía. As fontes de enerxía divídense xeralmente en fontes de enerxía físicas e fontes de enerxía químicas. As fontes de enerxía física inclúen dispositivos de xeración de enerxía solar, dispositivos de xeración de enerxía termoeléctrica, xeradores térmicos e hidroeléctricos, etc.; mentres que as fontes de enerxía química fan referencia a dispositivos de xeración de enerxía que poden converter directamente enerxía química en enerxía eléctrica, é dicir, baterías químicas no sentido xeral, ou simplemente baterías.
Os sistemas de baterías evolucionaron a través de catro xeracións: baterías de chumbo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-hidruro metálico e baterías de-ión de litio. O rendemento da batería mellorou continuamente e a comprensión humana dos sistemas de batería afondou. Actualmente, as baterías de-ións de litio son o sistema de baterías recargables máis eficientes e-enerxéticamente eficientes, que representan o nivel máis alto de investigación e tecnoloxía sobre baterías humanas.
Historia de investigación e desenvolvemento de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Historial de desenvolvemento de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Situación da patente do fosfato de ferro de litio
▲ Estudos estruturais e de rendemento de materiais de fosfato de ferro de litio
O fosfato de ferro de litio (LiFeP, LFP, tamén coñecido como fosfato de ferro de litio ou fosfato de ferro de litio) é un material de cátodo que se usa nas baterías de -ións de litio. Caracterízase pola ausencia de elementos preciosos como o cobalto e o níquel, os baixos prezos das materias primas e a abundancia de recursos de fósforo, litio e ferro na codia terrestre, que poden satisfacer unha demanda do mercado superior ao millón de toneladas ao ano. Como material de cátodo, o fosfato de ferro de litio ten unha tensión de funcionamento moderada (3,2 V), alta capacidade específica (170 mA·h/g), alta potencia de descarga, capacidade de carga rápida, ciclo de vida longo e boa estabilidade en ambientes de alta temperatura e calor.
Equipos de produción utilizados na fabricación de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Requisitos do equipo de produción:; Equipo de mestura; Equipo de secado; Equipo de sinterización; Equipo de trituración; Equipos de cribado; Xerador de nitróxeno; Equipos de envasado.
Cando se usan materiais de cátodo de fosfato de ferro litio (LFP) na fabricación de baterías de ión de litio-, os requisitos para a súa pureza, fase e impurezas son extremadamente estritos. Por exemplo, cando o grao de oxidación do ferro divalente en LFP alcanza o 1%, a capacidade específica pode diminuír en máis dun 30%. Isto débese a que o ferro trivalente recén xerado recubre a superficie do LFP, formando unha capa reactiva que impide novas reaccións internas. Se o LFP xa foi oxidado, os métodos de redución posteriores non poden producir LFP porque xa se perderon os ións de litio da materia prima.
Preparación de materiais de fosfato de ferro de litio mediante o método de oxalato ferroso
▲Principio de síntese
▲ Principais materias primas sintéticas
▲Proceso de síntese
▲Rendemento de materiais sintéticos
O proceso de síntese de fosfato de ferro de litio usando oxalato ferroso como materia prima chámase método de oxalato ferroso (ou simplemente método ferroso). Actualmente, o método do oxalato ferroso é o proceso e método máis utilizado en China, e máis da metade dos fabricantes nacionais o utilizan. As súas principais vantaxes son os baixos custos das materias primas, o proceso sinxelo e o fácil control das proporcións dos ingredientes.
Preparación de materiais de fosfato de ferro de litio por redución carbotérmica
▲Principio de síntese
▲ Principais materias primas sintéticas
▲Proceso de síntese
▲Rendemento de materiais sintéticos
Entre os fabricantes que producen materiais de fosfato de ferro de litio (LiFePO4), o método de redución carbotérmica é actualmente a segunda tecnoloxía máis utilizada despois do método do oxalato ferroso. A súa principal materia prima é o ferro férrico (Fe2PO4), incluíndo o fosfato de ferro (Fe2PO4) e o óxido de ferro (Fe2O3). Durante a reacción, o carbono (C) e o monóxido de carbono (C2O3) reducen o ferro férrico (Fe2PO4) a ferro ferroso (Fe2+), que despois entra na rede cristalina, formando a estrutura cristalina do fosfato de ferro de litio (LiFePO4).
A vantaxe do método de redución carbotérmica é que non é necesario ter en conta a oxidación das materias primas durante o procesamento; pódense utilizar varios métodos de mestura para procesar as materias primas para acadar o estado de dispersión desexado. Só na fase de alta temperatura o carbono reduce o ferro férrico a ferro ferroso, formando fosfato de ferro de litio, de aí o nome de método de redución carbotérmica. O método de redución carbotérmica logra unha redución-paso, reduce a produción de gas e é beneficioso para mellorar o rendemento. Ao mesmo tempo, o proceso de síntese é sinxelo e fácil de controlar, o que leva a que un número crecente de empresas adopten o método de redución carbotérmica.
Preparación hidrotermal de materiais de fosfato de ferro de litio
▲Principio de síntese
▲ Principais materias primas sintéticas
▲Proceso de síntese
▲Rendemento de materiais sintéticos
O método hidrotermal é un método relativamente avanzado para preparar materiais de cátodo de fosfato de ferro e litio. O seu proceso principal utiliza un sistema hidrotermal supercrítico, que disolve sulfato ferroso, hidróxido de litio e ácido fosfórico en auga, quentando a solución a máis de 100 graos nun ambiente selado para formar unha solución acuosa de alta-temperatura e alta-presión. A reacción prodúcese por difusión iónica, xerando partículas de cristal de fosfato de ferro de litio. A continuación, o material de fosfato de ferro litio puro fíltrase, sécase e recóbrese con-carbono para formar un composto de fosfato de ferro de litio/carbono.
Métodos convencionais de proba e análise de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Análise da composición química e métodos de proba para materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Métodos de proba de propiedades físicas para materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Métodos de proba de rendemento electroquímico para materiais de fosfato de ferro de litio
▲Avaliación de aplicacións prácticas dos materiais de fosfato de ferro de litio
Para materiais de fosfato de ferro de litio (LFP), as probas son unha tecnoloxía básica, aínda máis importante que o control do proceso de síntese. Sen datos de proba precisos e precisos, non se poden obter condicións de proceso estables e, polo tanto, non se poden producir produtos LFP cualificados que cumpran os requisitos de uso. As probas rigorosas dos materiais son esenciales durante todo o proceso de produción, desde a adquisición e síntese de materias primas ata a avaliación do produto acabado. Polo tanto, calquera unidade que investigue e produza LFP debe facer gran énfase na construción do seu sistema de proba. Empregar equipos de proba sofisticados, métodos de proba rigorosos e persoal de probas ben-adestrado son condicións fundamentais para que unha empresa manteña a súa posición no sector.
Análise doutras propiedades características dos materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Análise de rendemento electroquímico de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Análise da morfoloxía microscópica electrónica de materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Enerxía superficial dos materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Medición da solubilidade do ferro en materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Características espectroscópicas dos materiais de fosfato de ferro de litio
Na aplicación práctica de materiais de fosfato de ferro de litio, ademais das probas de rendemento rutineiras, tamén é necesario medir algunhas propiedades específicas para proporcionar unha referencia para a avaliación do rendemento dos materiais e os procesos de fabricación de baterías. Co avance da tecnoloxía, algúns parámetros que antes só se podían medir usando celas completas agora poden determinarse mediante métodos sinxelos. Por exemplo, o rendemento do ciclo dos materiais de fosfato de ferro de litio, especialmente o rendemento do ciclo do carbono, agora pódese avaliar usando pilas de moeda deseñadas especialmente, simplificando moito o proceso de medición.
Tecnoloxía de fabricación de baterías utilizando materiais de fosfato de ferro de litio
▲ Especificacións de deseño do sistema de baterías de fosfato de ferro de litio
▲ Tecnoloxía de preparación de puríns de material de fosfato de ferro de litio
▲ Revestimento de lodo de fosfato de ferro de litio
▲ Laminación de electrodos de fosfato de ferro de litio
▲Transformación e división
▲ Outros exemplos de fabricación de baterías
Para calquera batería de-ión de litio, o deseño inicial é a tarefa principal. O traballo de deseño implica determinar o proceso de fabricación da batería de-ión de litio. Dado que o rendemento da batería está determinado principalmente polos electrodos, o deseño dos electrodos é un aspecto fundamental do proceso de fabricación da batería. Isto tamén é certo para as baterías de fosfato de ferro de litio.
Principais áreas de aplicación das baterías de fosfato de ferro de litio
▲ Aplicacións de baterías de fosfato de ferro de litio en dispositivos de transporte eléctrico
▲ Aplicacións das baterías de fosfato de ferro de litio na fonte de enerxía de almacenamento de enerxía
▲ Aplicacións das baterías de fosfato de ferro de litio en ferramentas eléctricas
▲ Aplicacións das baterías de fosfato de ferro de litio
O fosfato de ferro de litio (LFP) é o material do cátodo para as baterías de iones de litio-, e a súa maior vantaxe é a súa alta seguridade. Tamén posúe vantaxes das que carecen os materiais ternarios de óxido de manganeso de litio e níquel-manganeso-cobalto, como ciclos de vida longos, baixo custo do material e fontes abundantes de materias primas. As baterías LFP teñen unha tensión estable, unha tensión de funcionamento moderada, boa compatibilidade cos sistemas de electrólitos, non son-tóxicas, non teñen efecto memoria e non contaminan o medio ambiente. A súa enerxía específica pode alcanzar os 100-130 Wh/kg, o que é de 0,3 a 5 veces a das baterías de chumbo-ácido e 1,5 veces a das baterías de níquel-hidruro metálico. Dadas as súas numerosas vantaxes, considérase unha batería ideal para vehículos eléctricos, almacenamento de enerxía eólica e solar, e baterías de respaldo seguras para uso doméstico.
Perspectivas para outros materiais catódicos para baterías de iones de litio{0}}
▲Material do cátodo de fosfato de litio vanadio -
▲ Material do cátodo de fosfato de manganeso de litio
▲ Material do cátodo de silicato de ferro de litio
▲ Material do cátodo de borato de ferro de litio
▲Materiais de cátodo en capas ricos en litio-
A aparición de materiais de fosfato de ferro de litio (LFP) sentou as bases da ciencia dos materiais para a aplicación xeneralizada de baterías de iones de litio-a gran escala-.
Como é sabido, a seguridade das baterías de-ións de litio sempre foi un problema central e crítico que restrinxe o desenvolvemento da industria. Mesmo nos países desenvolvidos con propiedades de materiais estables e equipos de procesamento sofisticados, a seguridade das baterías de-ións de litio non se pode garantir totalmente. Dado o nivel relativamente baixo actual de procesamento de baterías de-ións de litio no meu país, LFP adáptase- ás condicións nacionais do meu país, mellorando significativamente a seguridade da batería.