Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Литий-железо-фосфатный аккумулятор
Удельная энергия90–160  Втч / кг (320–580 Дж / г или кДж / кг) [1]
Плотность энергии325 Втч / л (1200 кДж / л) [1]
Удельная мощностьоколо 200  Вт / кг [2]
Энергия / потребительская цена3,0–24 Вт · ч / долл. США [3]
Долговечность во времени> 10 лет
Долговечность цикла2,000-12000 [4]  циклов
Номинальное напряжение ячейки3,2  В

Фосфат батареи лития - железа ( LiFePO
4аккумулятор ) или аккумулятор LFP ( феррофосфат лития ), это тип литий-ионного аккумулятора, использующего LiFePO
4в качестве материала катода и графитовый углеродный электрод с металлической подложкой в ​​качестве анода . Плотность энергии в LiFePO
4ниже, чем у оксида лития-кобальта ( LiCoO
2), а также имеет более низкое рабочее напряжение. Главный недостаток LiFePO
4его низкая электропроводность. Следовательно, все LiFePO
4рассматриваемые катоды на самом деле являются LiFePO
4/ С. [5] Из-за низкой стоимости, низкой токсичности, четко определенных характеристик, долговременной стабильности и т. Д. LiFePO
4находит ряд ролей в использовании транспортных средств, стационарных приложениях коммунальных масштабов и резервного питания. [6] Батареи LFP не содержат кобальта. [7]

История [ править ]

Основная статья: фосфат железа лития

LiFePO
4природный минерал семейства оливинов ( трифилит ). Арумугам Мантирам и Джон Б. Гуденаф впервые определили полианионный класс катодных материалов для литий-ионных батарей . [8] [9] [10] LiFePO
4затем был идентифицирован как катодный материал, принадлежащий к классу полианионов, для использования в батареях в 1996 году Padhi et al. [11] [12] Обратимое извлечение лития из LiFePO
4и введение лития в FePO
4был продемонстрирован. Благодаря низкой стоимости, нетоксичности, естественному содержанию железа , превосходной термической стабильности, характеристикам безопасности, электрохимическим характеристикам и удельной емкости (170  мА · ч / г или 610  Кл / г ) он получил широкое признание на рынке. . [13] [14]

Главным препятствием для коммерциализации было его изначально низкая электропроводность . Эта проблема была преодолена за счет уменьшения размера частиц покрытия LiFePO.
4частицы с проводящими материалами, такими как углеродные нанотрубки , [15] [16] или и то, и другое. Этот подход был разработан Мишелем Арманом и его сотрудниками. [17] Другой подход группы Йет Мин Чанга заключался в легировании [13] LFP катионами таких материалов, как алюминий , ниобий и цирконий .

MIT представил новое покрытие, которое позволяет ионам легче перемещаться внутри батареи. «Батарея кольцевой дороги» использует байпасную систему, которая позволяет ионам лития входить и покидать электроды со скоростью, достаточной для полной зарядки батареи менее чем за минуту. Ученые обнаружили, что, покрывая частицы фосфата лития-железа стекловидным материалом, называемым пирофосфатом лития,, ионы обходят каналы и движутся быстрее, чем в других батареях. Перезаряжаемые батареи накапливают и разряжают энергию, когда заряженные атомы (ионы) перемещаются между двумя электродами, анодом и катодом. Их скорость заряда и разряда ограничена скоростью, с которой движутся эти ионы. Такая технология может уменьшить вес и размер батарей. Был разработан небольшой прототип аккумуляторной батареи, который может полностью заряжаться за 10-20 секунд, по сравнению с шестью минутами для стандартных аккумуляторных элементов. [18]

Отрицательные электроды (анод, на разряде) из нефтяного кокса использовались в первых литий-ионных батареях; в более поздних типах использовался природный или синтетический графит. [19]

Преимущества и недостатки [ править ]

LiFePO
4В аккумуляторе используется химический состав литий-ионных аккумуляторов, и он имеет много преимуществ и недостатков с другими химическими составами литий-ионных аккумуляторов. Однако есть существенные отличия.

LFP не содержат ни никеля [20], ни кобальта, оба из которых ограничены в поставках и дороги. Проблемы прав человека были высказаны в связи с использованием добытого кобальта в аккумуляторах для распределенной энергии, домашних хранилищ и электромобилей. [21]

Химия LFP предлагает более длительный жизненный цикл, чем другие литий-ионные подходы. [22]

Подобно никелевым аккумуляторным батареям (и в отличие от других литий-ионных батарей) [23] LiFePO
4батареи имеют очень постоянное напряжение разряда. Напряжение во время разряда остается близким к 3,2 В, пока элемент не разрядится. Это позволяет элементу выдавать практически полную мощность до тех пор, пока он не разрядится, и может значительно упростить или даже исключить необходимость в схемах регулирования напряжения. [ необходима цитата ]

Из-за номинального выходного напряжения 3,2 В четыре элемента могут быть включены последовательно для номинального напряжения 12,8 В. Это близко к номинальному напряжению шестиэлементных свинцово-кислотных аккумуляторов.. Наряду с хорошими характеристиками безопасности LFP-аккумуляторов, это делает LFP хорошей потенциальной заменой свинцово-кислотным аккумуляторам в таких приложениях, как автомобильные и солнечные, при условии, что системы зарядки адаптированы так, чтобы не повредить элементы LFP из-за чрезмерных зарядных напряжений (выше 3,6 вольт постоянного тока на элемент во время зарядки), температурная компенсация напряжения, попытки выравнивания или непрерывная подзарядка. Ячейки LFP должны быть, по крайней мере, изначально сбалансированы перед сборкой блока, а также необходимо внедрить систему защиты, чтобы гарантировать, что ни одна ячейка не может быть разряжена ниже напряжения 2,5 В, иначе в большинстве случаев произойдет серьезное повреждение. [ необходима цитата ]

Использование фосфатов позволяет избежать проблем, связанных с затратами кобальта и окружающей среды, особенно опасений по поводу попадания кобальта в окружающую среду из-за неправильной утилизации. [22]

LiFePO
4имеет более высокие значения тока или пиковой мощности, чем оксид лития-кобальта LiCoO
2. [24]

Плотность энергии (энергия / объем) новой батареи LFP примерно на 14% ниже, чем у новой батареи LiCoO.
2аккумулятор. [25] Кроме того, многие марки LFP, а также элементы данной марки батарей LFP имеют более низкую скорость разряда, чем свинцово-кислотные или LiCoO.
2. [ необходима цитата ] Поскольку скорость разряда - это процент от емкости батареи, более высокая скорость может быть достигнута при использовании батареи большей емкости (больше ампер-часов ), если необходимо использовать слаботочные батареи. Еще лучше, сильноточный элемент LFP (который будет иметь более высокую скорость разряда, чем свинцово-кислотный или LiCoO
2 аккумулятор такой же емкости).

LiFePO
4элементы имеют более медленную скорость потери емкости (или более длительный срок службы), чем литий-ионные аккумуляторы, такие как LiCoO.
2 кобальт или LiMn
2О
4 марганцево-шпинелевые литий-ионные полимерные аккумуляторы (LiPo аккумулятор) или литий-ионные аккумуляторы . [26] Спустя год на полке, LiFePO
4ячейка обычно имеет примерно такую ​​же плотность энергии, как и LiCoO
2Литий-ионный аккумулятор из-за более медленного снижения плотности энергии LFP. [ необходима цитата ]

Безопасность [ править ]

Одним из важных преимуществ по сравнению с другими химическими составами литий-ионных аккумуляторов является термическая и химическая стабильность, повышающая безопасность аккумуляторов. [22] LiFePO
4по своей природе более безопасный катодный материал, чем LiCoO
2и марганцевая шпинель из-за отсутствия кобальта с ее отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, который может способствовать тепловому разгоне . РО связи в (PO4)3−ион сильнее, чем связь Co - O в (CoO
2)-
ion, так что при неправильном использовании (короткое замыкание, перегрев и т. д.) атомы кислорода высвобождаются медленнее. Эта стабилизация окислительно-восстановительных энергий также способствует более быстрой миграции ионов. [23]

Поскольку литий мигрирует из катода в LiCoO
2ячейка, CoO
2подвергается нелинейному расширению, которое влияет на структурную целостность клетки. Полностью литийзамещенные и unlithiated состояния LiFePO
4структурно похожи, что означает, что LiFePO
4ячейки более структурно стабильны, чем LiCoO
2клетки. [ необходима цитата ]

На катоде полностью заряженного LiFePO не остается лития.
4клетка. (В LiCoO
2ячейке, остается примерно 50%.) LiFePO
4очень эластичен при потере кислорода, что обычно приводит к экзотермической реакции в других литиевых элементах. [14] В результате LiFePO
4ячейки труднее воспламенить в случае неправильного обращения (особенно во время зарядки). LiFePO
4аккумулятор не разлагается при высоких температурах. [22]

Технические характеристики [ править ]

Несколько литий-железо-фосфатных элементов подключены последовательно и параллельно для создания батареи емкостью 2800 Ач, 52 В. Суммарная емкость аккумулятора составляет 145,6 кВтч. Обратите внимание на большую, твердую луженых медную шину , соединяющую клетки вместе. Эта шина рассчитана на 700 А постоянного тока, чтобы выдерживать высокие токи, генерируемые в системе 48 В постоянного тока.
Литий-железо-фосфатные элементы LiFePO4, каждый емкостью 700 Ач, ампер-час, 3,25 В. Два элемента соединены параллельно, чтобы создать одну батарею 3,25 В, 1400 Ач и емкостью 4,55 кВтч.
  • Напряжение ячейки
    • Минимальное напряжение разряда = 2,5 В [27]
    • Рабочее напряжение = 3,0 ~ 3,2 В
    • Максимальное напряжение заряда = 3,65 В [28]
  • Объемная плотность энергии = 220  Втч / л (790 кДж / л)
  • Гравиметрическая плотность энергии> 90 Втч / кг [29] (> 320 Дж / г). До 160 Втч / кг [1] (580 Дж / г).
  • 100% срок службы цикла DOD (количество циклов до 80% от первоначальной мощности) = 2 000–7 000 [30]
  • Срок службы 10% DOD (количество циклов до 80% от исходной емкости)> 10 000 [31]
  • Катодный состав (вес)
    • 90% C-LiFePO 4 , марка Фос-Дев-12
    • 5% углерода ЭБН-10-10 (графит высшего качества)
    • 5% поливинилиденфторид (ПВДФ)
  • Конфигурация соты
    • Токосъемник из алюминия с углеродным покрытием 15
    • Катод 1,54 см 2
    • Электролит : этиленкарбонат - диметилкарбонат (EC – DMC) 1–1 перхлорат лития ( LiClO
      4      ) 1 млн
    • Анод : графит или твердый углерод с интеркалированным металлическим литием
  • Условия эксперимента:
    • Комнатная температура
    • Пределы напряжения: 2,0–3,65 В
    • Зарядка: до уровня C / 1 до 3,6 В, затем постоянное напряжение 3,6 В до I <C / 24
  • По словам одного производителя, литий-железо-фосфатные батареи в электромобиле можно зарядить на станции быстрой зарядки до 80% за 15 минут и до 100% за 40 минут. [32]

Использует [ редактировать ]

Домашнее хранилище энергии [ править ]

Enphase производит батареи LFP емкостью 3 и 10 кВтч для домашнего хранения энергии, распределенной энергии, автономного использования и использования в микросетях.

Транспорт [ править ]

Более высокая скорость разряда, необходимая для ускорения, меньший вес и более длительный срок службы, делают этот тип батареи идеальным для вилочных погрузчиков, велосипедов и электромобилей. Аккумуляторы LiFePO 4 12 В также набирают популярность в качестве второй (домашней) батареи для каравана, дома на колесах или лодки.

Системы освещения на солнечных батареях [ править ]

В некоторых ландшафтных светильниках с питанием от солнечных батарей теперь используются одиночные элементы LFP «14500» ( размер батареи AA) вместо 1,2 В NiCd / NiMH . [ необходима цитата ]

Более высокое рабочее напряжение LFP (3,2 В) позволяет одной ячейке управлять светодиодом без схемы для повышения напряжения. Его повышенная устойчивость к умеренной перезарядке (по сравнению с другими типами литиевых ячеек) означает, что LiFePO
4может быть подключен к фотоэлектрическим элементам без схемы, чтобы остановить цикл перезарядки. Возможность управлять светодиодом от одной ячейки LFP также устраняет проблемы с держателями для батарей, а значит, и проблемы коррозии, конденсации и грязи, связанные с продуктами, использующими несколько сменных аккумуляторных батарей. [ необходима цитата ]

К 2013 году появились более совершенные пассивные инфракрасные охранные лампы с солнечным зарядом. [33] Поскольку емкость LFP-ячеек типоразмера AA составляет всего 600 мАч (в то время как яркий светодиод лампы может потреблять 60 мА), блоки светят не более 10 часов. Тем не менее, если срабатывание происходит только время от времени, такие устройства могут быть удовлетворительными даже при слабом солнечном свете, поскольку электроника лампы обеспечивает ток "холостого" после наступления темноты менее 1 мА. [ необходима цитата ]

Другое использование [ править ]

Многие домашние преобразователи EV используют версии большого формата в качестве тягового пакета автомобиля. Благодаря выгодному соотношению мощности к весу, высоким характеристикам безопасности и устойчивости химикатов к тепловому выходу из строя, существует несколько препятствий для использования любителями домоводителями. Автодома часто переоборудуют на фосфат лития-железа из-за высокой потребляемой мощности.

В некоторых электронных сигаретах используются батареи такого типа. Другие приложения включают фонари, радиоуправляемые модели , переносное оборудование с моторным приводом, любительское радиооборудование, промышленные сенсорные системы [34] и аварийное освещение . [35]

См. Также [ править ]

  • Список типов батарей
  • Список размеров батарей
  • Список производителей аккумуляторов для электромобилей
  • Сравнение типов батарей
  • Литий-титанатный аккумулятор
  • Литий-воздушная батарея
  • Литий-ионный полимерный аккумулятор
  • Нанопроволочная батарея
  • Фосфат
  • Соотношение мощности к весу
  • Супер железный аккумулятор

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c "Группа компаний Great Power, квадратный литий-ионный элемент" . Проверено 31 декабря 2019 .
  2. ^ "Литий-железо-фосфатные батареи 12,8 В" (PDF) . VictronEnergy.nl . Архивировано из оригинального (PDF) 21 сентября 2016 года . Проверено 20 апреля 2016 .
  3. ^ «Поставщики и производители литий-железо-фосфатных батарей» . Alibaba.com . Архивировано 9 июня 2014 года.
  4. ^ «CATL хочет поставлять батареи LFP для ESS в масштабе« несколько гигаватт-часов »в Европу и США-CATL» . catlbattery.com . Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL) . Дата обращения 3 октября 2020 .
  5. ^ Эфтехари, Али (2017). « LiFePO
    4    / C Нанокомпозиты для литий-ионных батарей ». Journal of Power Sources . 343 : 395–411. Bibcode : 2017JPS ... 343..395E . Doi : 10.1016 / j.jpowsour.2017.01.080 .
  6. ^ https://ethospower.org/blog/learn-about-lithium-batteries/
  7. ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002718
  8. ^ Маскелье, Кристиан; Крогеннек, Лоуренс (2013). «Полианионные (фосфаты, силикаты, сульфаты) каркасы в качестве электродных материалов для аккумуляторных Li (или Na) батарей». Химические обзоры . 113 (8): 6552–6591. DOI : 10.1021 / cr3001862 . PMID 23742145 . 
  9. ^ Manthiram, A .; Гуденаф, Дж. Б. (1989). «Введение лития в каркасы Fe 2 (SO 4 ) 3 ». Журнал источников энергии . 26 (3–4): 403–408. Bibcode : 1989JPS .... 26..403M . DOI : 10.1016 / 0378-7753 (89) 80153-3 .
  10. ^ Manthiram, A .; Гуденаф, Дж. Б. (1987). «Введение лития в каркасы Fe 2 (MO 4 ) 3 : Сравнение M = W с M = Mo». Журнал химии твердого тела . 71 (2): 349–360. Bibcode : 1987JSSCh..71..349M . DOI : 10.1016 / 0022-4596 (87) 90242-8 .
  11. ^ " LiFePO
    4    : Новый катодный материал для аккумуляторных батарей », AK Padhi, KS Nanjundaswamy, JB G динаф, Тезисы собраний электрохимического общества, 96-1 , май 1996 г., стр. 73
  12. ^ «Фосфооливины как материалы положительных электродов для перезаряжаемых литиевых батарей» AK Padhi, KS Nanjundaswamy и JB G динаф, J. Electrochem. Soc., Том 144, выпуск 4, стр. 1188-1194 (апрель 1997 г.)
  13. ↑ a b Горман, Джессика (28 сентября 2002 г.). «Батареи большего размера, дешевле и безопаснее: новый материал увеличивает нагрузку на литий-ионные батареи» . Новости науки . Vol. 162 нет. 13. с. 196. Архивировано из оригинала на 2008-04-13.
  14. ^ a b «Создание более безопасных ионно-литиевых батарей» . houseofbatteries.com. Архивировано 31 января 2011 года.
  15. ^ Susantyoko, Рахмат Агунг; Карам, Зайнаб; Алкоори, Сара; Мустафа, Ибрагим; Ву, Чи-Хан; Альмхейри, Саиф (2017). «Технология изготовления отливки ленты с поверхностной инженерией для коммерциализации отдельно стоящих листов углеродных нанотрубок». Журнал Материалы ХИМИИ . 5 (36): 19255–19266. DOI : 10.1039 / c7ta04999d . ISSN 2050-7488 . 
  16. ^ Susantyoko, Рахмат Агунг; Алькинди, Таваддод Саиф; Канагарадж, Амарсингх Бхабу; Ан, Бохён; Алшибли, Хамда; Цой, Даниэль; Аль-Дахмани, султан; Фадак, Хамед; Альмхейри, Саиф (2018). «Оптимизация характеристик автономных листов MWCNT-LiFePO₄ в качестве катодов для повышения удельной емкости литий-ионных батарей» . RSC Advances . 8 (30): 16566–16573. DOI : 10.1039 / c8ra01461b . ISSN 2046-2069 . 
  17. ^ Арман, Мишель; Гуденаф, Джон Б.; Padhi, Akshaya K .; Nanjundaswam, Kirakodu S .; Маскелье, Кристиан (4 февраля 2003 г.), Катодные материалы для вторичных (перезаряжаемых) литиевых батарей , заархивировано из оригинала 02 апреля 2016 г. , извлечено 25 февраля 2016 г.
  18. ^ «Новая технология аккумуляторов заряжается за секунды» . Новости альтернативной энергетики . 18 марта 2009 года. Архивировано 02 августа 2012 года.
  19. ^ Дэвид Линден (редактор), Справочник по батареям, 3-е издание , McGraw Hill 2002, ISBN 0-07-135978-8 , страницы 35-16 и 35-17 
  20. ^ https://www.nickelinstitute.org/media/1987/nickel_battery_infographic-final2.pdf
  21. ^ https://media.business-humanrights.org/media/documents/files/Transition_Minerals_Tracker_-_O Total_v2.pdf
  22. ^ a b c d «Литиевые аккумуляторные батареи» . Электропедия - Аккумуляторные и энергетические технологии . Архивировано 14 июля 2011 года.
  23. ^ a b «Литий-ионные батареи | Литий-полимерный | Литий-железо-фосфатный» . Harding Energy . Архивировано 29 марта 2016 года . Проверено 6 апреля 2016 .
  24. ^ Хадхази, Адам (2009-03-11). «Лучшая батарея? Литий-ионный элемент перезаряжается» . Scientific American . Архивировано 23 октября 2013 года.
  25. ^ Го, Ю-Го; Ху, Цзинь-Сон; Ван, Ли-Цзюнь (2008). «Наноструктурированные материалы для устройств электрохимического преобразования и хранения энергии» . Современные материалы . 20 (15): 2878–2887. DOI : 10.1002 / adma.200800627 .
  26. ^ "ANR26650M1" . A123Systems . 2006. Архивировано из оригинала на 2012-03-01. ... Текущий тест демонстрирует превосходный календарный срок службы: рост импеданса на 17% и потеря емкости на 23% за 15 [пятнадцать!] Лет при 100% SOC , 60 град. С ...
  27. ^ "Cell - CA Series" . CALB.cn . Архивировано из оригинала на 2014-10-09.
  28. ^ «Батарея LiFePO4» . www.evlithium.com . Проверено 24 сентября 2020 .
  29. ^ "Большой формат, фосфат лития-железа" . JCWinnie.biz . 2008-02-23. Архивировано из оригинала на 2008-11-18 . Проверено 24 апреля 2012 .
  30. ^ «Спецификация литиево-фосфатной батареи (LiFePO4)» . smart-solar-lights.com . Nomo Group Co. 14 июля 2017 г.
  31. ^ GWL-Power: Winston 90Ah более 10.000 / 13.000 циклов. Архивировано 4 октября 2013 г. в Wayback Machine , PDF, 21 февраля 2012 г.
  32. ^ byd-auto.net Архивировано 06.02.2016 навеб-сайте Wayback Machine BYD: 40 (мин.) / 15 (мин. 80%)
  33. ^ [1]
  34. ^ «Система IECEx» . iecex.iec.ch . Проверено 26 августа 2018 .
  35. ^ "EM ready2apply BASIC 1-2 Вт" . Тридоник . Проверено 23 октября 2018 года .