Переваги та недоліки літій-залізо-фосфатного акумулятора LiFePO4
Літій-залізофосфатна батарея відноситься до літій-іонної батареї, яка використовує літій-залізофосфат як матеріал позитивного електрода. Катодні матеріали літій{0}}іонних акумуляторів в основному включають оксид літій-кобальту, манганат літію, нікелат літію, потрійні матеріали та літій-залізофосфат. Серед них оксид літій-кобальту наразі є катодним матеріалом, який використовується в більшості літій{1}}іонних акумуляторів.
В якості позитивного електрода батареї використовується LiFePO4, який з'єднаний з позитивним електродом батареї алюмінієвою фольгою. Посередині знаходиться полімерний сепаратор, який відокремлює позитивний електрод від негативного, але іон літію Li може пройти, але електрон e- не може пройти. Права сторона зроблена з вуглецю (графіту). Мінусовий електрод батареї з'єднаний з негативним електродом батареї мідною фольгою. Між верхнім і нижнім кінцями батареї знаходиться електроліт батареї, а батарея герметично закрита металевим кожухом.
Коли акумулятор LiFePO4 заряджений, літій-іон Li в позитивному електроді мігрує до негативного електрода через полімерний сепаратор; під час процесу розряду іон літію Li в негативному електроді мігрує на позитивний електрод через сепаратор. Літій{1}}іонні акумулятори названі на честь літій-іонів, які рухаються вперед-назад під час заряджання та розрядження.
Основне виконання
Номінальна напруга акумулятора LiFePO4 становить 3,2 В, кінцева напруга зарядки – 3,6 В, а кінцева напруга розряду – 2.0В. Через різну якість і майстерність виконання позитивних і негативних матеріалів і електролітних матеріалів, які використовуються різними виробниками, будуть деякі відмінності в їх продуктивності. Наприклад, ємність батареї однієї і тієї ж моделі (стандартний акумулятор в одній упаковці) досить різна (10 відсотків -20 відсотків).
Тут я хочу пояснити, що літій-залізо-фосфатні батареї, що виробляються різними заводами, мають деякі відмінності в різних параметрах продуктивності; крім того, не вказано деякі характеристики батареї, як-от внутрішній опір батареї, швидкість само-розряду, температура заряду та розряду тощо.
Є великі відмінності в ємності літій-залізо-фосфатних батарей, які можна розділити на три категорії: малий-масштаб від кількох до кількох міліампер, середній-десятки міліампер- годин і великомасштабних-сотень міліампер-годин. Подібні параметри різних типів батарей також мають деякі відмінності.
Перевірка перерозряду до нульової напруги:
Літій-залізо-фосфатний акумулятор STL18650 (1100мАг) використовувався для тесту на надмірний-розряд до нульової напруги. Умови тестування: повністю зарядіть акумулятор STL18650 ємністю 11{{1{0}}0mAh STL18650 зі швидкістю заряду 0,5C, а потім розрядіть зі швидкістю розряду 1,0C, доки напруга акумулятора не стане 0C. Потім розділіть батареї 0 В на дві групи: одна група зберігається 7 днів, інша група зберігається 30 днів; після закінчення терміну зберігання акумулятори повністю заряджаються зі швидкістю заряджання 0,5 ℃, а потім розряджаються при 1,0 ℃. Нарешті, порівняйте різницю між двома-періодами зберігання нульової напруги.
Результатом тесту є те, що батарея не має витоку після 7 днів зберігання при нульовій напрузі, з хорошою продуктивністю, а ємність становить 100 відсотків; після зберігання протягом 30 днів витікання немає, хороші характеристики, ємність 98 відсотків; акумулятор після 30 днів зберігання піддається 3 циклам зарядки-розряду. Ємність повернулася до 100 відсотків.
Цей тест показує, що навіть якщо літій-залізо-фосфатний акумулятор надто{0}}розряджений (навіть до 0 В) і зберігається протягом певного періоду часу, батарея не витікатиме й не буде пошкоджена. Це характеристика, якої немає інших типів літій{2}}іонних акумуляторів.
Переваги літій-залізо-фосфатного акумулятора
1. Підвищення показників безпеки
Зв’язок P-O в кристалі літій-залізофосфату стабільний і важко розкладається. Навіть при високій температурі або перезарядженні він не руйнується і не виділяє тепло, як оксид літію-кобальту, або утворює сильні окислювальні речовини, тому має гарну безпеку. У звіті вказувалося, що під час реальної експлуатації невелика частина зразків згоріла під час акупунктури або експериментів із коротким{1}}замиканням, але вибуху не сталося. Під час експерименту з перезарядкою використовувався високовольтний заряд, який був у кілька разів вищим за напругу саморозряду-, і було виявлено, що все ще спостерігається вибух. Тим не менш, його безпека перезаряду була значно покращена в порівнянні зі звичайними літієво-кобальто-оксидними батареями з рідким електролітом.
2. Покращення тривалості життя
Літій-залізофосфатна батарея відноситься до літій-іонної батареї, яка використовує літій-залізофосфат як матеріал позитивного електрода.
Термін служби свинцевої{1}}кислотної батареї з тривалим терміном служби становить приблизно 300 разів, а найвищий – 500 разів, тоді як термін служби літій-залізо-фосфатної батареї становить понад 2000 разів, і стандартна зарядка (5 годин) використання може досягати 2000 разів. Свинцеві-акумулятори тієї ж якості є «нові пів року, півроку та півроку на технічне обслуговування», що становить не більше 1-1,5 років, тоді як літій-залізо-фосфатний акумулятор використовується під тих же умовах, а теоретичний термін служби досягне 7-8 років. Якщо розглянути комплексно, співвідношення продуктивності{13}}ціни теоретично більш ніж у 4 рази вище, ніж у свинцево-кислотних акумуляторів. Силовий{16}}розряд може швидко заряджати та розряджати високострумний 2C. За допомогою спеціального зарядного пристрою акумулятор можна повністю зарядити протягом 40 хвилин після заряджання при температурі 1,5 ℃, а пусковий струм може досягати 2 ℃, але свинцево{22}}кислотні акумулятори не мають такої продуктивності.
3. Хороші показники високої температури
Пік електричного нагріву фосфату заліза літію може досягати 350ступінь-500ступінь, тоді як манганат літію та кобальтат літію лише близько 200ступінь. Широкий діапазон робочих температур (-20C-75C), з високою термостійкістю, пік електронагріву літій-залізофосфату може досягати 350ступінь-500ступінь, тоді як манганат літію та кобальтат літію лише близько 200ступінь.
4. Велика місткість
Ємність акумулятора швидко впаде нижче номінального значення, якщо акумулятор завжди повністю заряджений, а не розряджений. Це явище називається ефектом пам’яті. Як і Ni-MH і Ni-Cd акумулятори, пам’ять є, але літій-залізо-фосфатні акумулятори не мають цього явища. Незалежно від того, в якому стані знаходиться акумулятор, його можна заряджати та використовувати в будь-який час без розрядження перед заряджанням.
6. Легка вага
Обсяг літій-залізо-фосфатної батареї тієї ж самої специфікації та ємності становить 2/3 об’єму свинцевої-кислотної батареї, а вага становить 1/3 свинцевої-кислотної батареї.
7. Охорона навколишнього середовища
Літій-залізо-фосфатні батареї, як правило, не містять важких металів і рідкісних металів (для нікель-водневої батареї потрібні рідкі метали), не-токсичні (сертифіковано SGS), не- забруднює навколишнє середовище, відповідно до європейських правил RoHS та абсолютний зелений сертифікат батареї.
Недоліки літій-залізо-фосфатних акумуляторів
Незалежно від того, чи має матеріал потенціал для розробки додатків, окрім уваги до його переваг, важливішим є наявність у матеріалу фундаментальних дефектів.
1. У процесі спікання під час одержання фосфату заліза літію оксид заліза може відновлюватися до елементарного заліза в атмосфері з високою температурою відновлення. Елементарне залізо може викликати мікро-коротке замикання батареї, яка є найбільш забороненою речовиною в батареї. Це також основна причина, чому Японія не використовує цей матеріал як матеріал для позитивних електродів для літій-іонних батарей-типу-.
2. Літій-залізофосфат має деякі дефекти продуктивності, такі як низька щільність відведення та щільність ущільнення, що призводить до низької щільності енергії літій-іонних батарей. Низькотемпературні характеристики погані, навіть якщо він нанометризований і покритий вуглецем, ця проблема не вирішується. Коли д-р Дон Хіллебранд, директор Центру систем зберігання енергії Аргоннської національної лабораторії, говорив про низькі{1}}температурні характеристики літій-залізо-фосфатних батарей, він описав це як жахливе. Їхні результати випробувань літій-залізо-фосфатних літій--іонних акумуляторів показали, що літій-залізо-фосфатні батареї працюють при низьких температурах. (Нижче 0ступіньВ) Не можна керувати електромобілем. Хоча деякі виробники стверджують, що літій-залізо-фосфатні батареї добре зберігають ємність при низьких температурах, тобто коли струм розряду невеликий, а напруга відсікання{0}}розряду дуже низька. У цій ситуації пристрій взагалі не може почати працювати.
3. Витрати на підготовку матеріалу та вартість виготовлення батареї відносно високі, вихід акумулятора низький, а консистенція погана. Хоча нанометризація та вуглецеве покриття фосфату заліза літію покращують електрохімічні характеристики матеріалу, це також приносить інші проблеми, такі як зниження щільності енергії, збільшення вартості синтезу, низька продуктивність обробки електродів та суворі вимоги до навколишнього середовища. Незважаючи на те, що хімічні елементи Li, Fe і P в літій-залізофосфаті є багатими, а вартість низька, вартість підготовленого продукту з літій-залізофосфату не є низькою. Навіть якщо вилучити попередні витрати на дослідження та розробки, технологічна вартість матеріалу вища. Витрати на підготовку батареї підвищать вартість кінцевої одиниці зберігання енергії.
4. Погана консистенція продукту. На даний момент в Китаї немає заводу з виробництва літій-залізофосфатного матеріалу, який міг би вирішити цю проблему. З точки зору підготовки матеріалу, реакція синтезу літій-залізофосфату є складною багатофазною реакцією, що включає твердофазні -фосфати, оксиди заліза та солі літію, а також попередники вуглецю та відновні газові фази. У цьому складному процесі реакції важко забезпечити послідовність реакції.
5. Питання інтелектуальної власності. На даний момент основним патентом на фосфат заліза літію володіє Техаський університет, а патент на вуглецеве покриття застосовується канадцями. Ці два основні патенти неможливо обійти. Якщо роялті включені до собівартості, вартість продукту буде додатково збільшена.
