Kontinuiranom prilagodbom globalne energetske strukture i brzim razvojem obnovljivih izvora energije,skladištenje energijetehnologija postupno postaje važna potpora transformaciji energije i pokretanju budućeg gospodarskog razvoja.
Uvod u tehnologiju baterija za pohranu energije
▲Pretvorba, skladištenje i korištenje energije
▲Klasifikacija i primjena tehnologija za pohranu energije
▲Pregled baterija za pohranu energije
▲Princip rada i sastav baterija za pohranu energije
▲Pokazatelji učinka i povezana terminologija baterija za pohranu energije
Energija je temeljna sila koja pokreće svijet i temeljni resurs o kojem ovisi razvoj ljudskog društva. Od početne upotrebe vatre do današnje električne energije, razvoj i korištenje energije potaknuli su napredak civilizacije i oblikovali našu današnju društvenu strukturu.
Sa stalnim rastom globalne potražnje za energijom i brzim razvojem obnovljivih izvora energije, tehnologija baterija za pohranu energije pojavila se i postala ključni stup energetskog sektora. Baterije za pohranu energije mogu učinkovito pohraniti povremene izvore energije poput energije vjetra i sunca i osloboditi ih tijekom razdoblja najveće potražnje, osiguravajući stabilnost napajanja. Ova tehnologija ne samo da smanjuje ovisnost o tradicionalnim fosilnim gorivima, već također pruža važna jamstva za postizanje niske-ugljika i održivih energetskih sustava.
Razvoj tehnologije baterija za pohranu energije, od tradicionalnih olovnih-kiselinskih baterija do modernih litij-ionskih baterija, a potom i novih čvrstih-baterija i natrijevih-ionskih baterija, neprestano se probija kroz tehnološka uska grla. Poboljšanjem gustoće energije, produljenjem životnog vijeka i povećanjem sigurnosti, baterije za pohranu energije pokazale su široku mogućnost primjene u područjima kao što su kućno skladištenje energije, transport i regulacija mreže. Može se reći da baterijska tehnologija za pohranu energije nije samo ključna za trenutnu transformaciju energetske strukture, već i jezgra budućih pametnih mreža i distribuiranih energetskih sustava.
Tehnologija pohrane energije-temeljene na litij bateriji
▲Struktura i princip rada litij-ionskih baterija
▲Katodni materijali litij-ionske baterije
▲Anodni materijali za litij-ionsku bateriju
▲Elektrolit za litij-ionsku bateriju
▲Dizajn i proizvodnja litij-ionskih baterija
Godine 1970. MS Whittingham iz ExxonMobila stvorio je prvu litij-ionsku bateriju. Koristio je titanijev disulfid i metalni litij kao pozitivnu i negativnu elektrodu. Tijekom punjenja i pražnjenja, metalni litij se kontinuirano troši i stvara na negativnoj elektrodi, dok titanijev disulfid kontinuirano umeće i izvlači litijeve ione na pozitivnoj elektrodi. Ova su dva procesa reverzibilna tijekom životnog vijeka baterije, stvarajući tako sekundarnu litij-ionsku bateriju s naponom od 2 V. Godine 1982., RR Agarwal i JR Selman s Instituta za tehnologiju u Illinoisu otkrili su da litijevi ioni imaju svojstvo interkalacije u grafit, proces koji je brz i reverzibilan... Od svog početka, litij-ionske baterije prošli su proces istraživanja, razvoja i evolucije. Svojom vrhunskom i praktičnom izvedbom sve više prodiru u različita područja, od 3C proizvoda poput mobilnih telefona i tableta do energetskih sektora kao što su električna vozila i velikih{19}}polja za pohranu energije poput fotonapona i energije vjetra, značajno utječući na društveni život.
Što je baterija?
▲Povijest razvoja baterije
▲Uvod u litij-ionske baterije
▲Značajke litij-ionskih baterija
▲Ključni materijali u litij-ionskim baterijama
Baterija je vrsta izvora energije. Izvori energije općenito se dijele na fizičke izvore energije i kemijske izvore energije. Fizički izvori energije uključuju solarne uređaje za proizvodnju energije, termoelektrične uređaje za proizvodnju energije, termo i hidroelektrane, itd.; dok se kemijski izvori energije odnose na uređaje za proizvodnju električne energije koji mogu izravno pretvoriti kemijsku energiju u električnu energiju, odnosno kemijske baterije u općenitom smislu ili jednostavno baterije.
Baterijski sustavi evoluirali su kroz četiri generacije: olovne-kiselinske baterije, nikal-kadmijeve baterije, nikal-metal-hidridne baterije i litij-ionske baterije. Performanse baterije kontinuirano se poboljšavaju, a ljudsko razumijevanje baterijskih sustava se produbljuje. Trenutačno su litij-ionske baterije najučinkovitiji i energetski-najefikasniji sustav punjivih baterija, te predstavljaju najvišu razinu ljudskih istraživanja i tehnologije baterija.
Povijest istraživanja i razvoja litij željezo fosfatnih materijala
▲Povijest razvoja litij željezo fosfatnih materijala
▲Patentna situacija za litij željezo fosfat
▲Studije strukture i učinkovitosti litij željezo fosfatnih materijala
Litij željezo fosfat (LiFeP, LFP, poznat i kao litij željezo fosfat ili litij željezo fosfat) je katodni materijal koji se koristi u litij-ionskim baterijama. Karakterizira ga nedostatak dragocjenih elemenata kao što su kobalt i nikal, niske cijene sirovina te obilje resursa fosfora, litija i željeza u Zemljinoj kori, koji mogu zadovoljiti potražnju tržišta veću od milijun tona godišnje. Kao katodni materijal, litij željezo fosfat ima umjereni radni napon (3,2 V), visok specifični kapacitet (170 mA·h/g), veliku snagu pražnjenja, mogućnost brzog punjenja, dug životni ciklus i dobru stabilnost pri visokoj temperaturi i visokoj toplini.
Proizvodna oprema koja se koristi u proizvodnji litij željezo fosfatnih materijala
▲Zahtjevi za proizvodnu opremu:;Oprema za miješanje;Oprema za sušenje;Oprema za sinterovanje;Oprema za drobljenje; Oprema za probir; Generator dušika; Oprema za pakiranje.
Kada se katodni materijali od litij-željeznog fosfata (LFP) koriste u proizvodnji litij-ionskih baterija, zahtjevi za njihovu čistoću, fazu i nečistoće su izuzetno strogi. Na primjer, kada stupanj oksidacije dvovalentnog željeza u LFP dosegne 1%, specifični kapacitet može se smanjiti za više od 30%. To je zato što novogenerirano trovalentno željezo oblaže površinu LFP-a, tvoreći reaktivni sloj koji sprječava daljnje unutarnje reakcije. Ako je LFP već oksidiran, naknadne metode redukcije ne mogu dati LFP jer su litijevi ioni u sirovom materijalu već izgubljeni.
Priprema litij željezo fosfatnih materijala metodom željeznog oksalata
▲Princip sinteze
▲Glavne sintetičke sirovine
▲Proces sinteze
▲Izvedba sintetičkih materijala
Proces sintetiziranja litij željezo fosfata korištenjem željeznog oksalata kao sirovine naziva se metoda željeznog oksalata (ili jednostavno željezna metoda). Trenutno je metoda željeznog oksalata najrašireniji proces i metoda u Kini, a koristi je više od polovice domaćih proizvođača. Njegove glavne prednosti su niski troškovi sirovina, jednostavan postupak i jednostavna kontrola omjera sastojaka.
Priprema litij željezo fosfatnih materijala karbotermalnom redukcijom
▲Princip sinteze
▲Glavne sintetičke sirovine
▲Proces sinteze
▲Izvedba sintetičkih materijala
Među proizvođačima koji proizvode materijale litij željezo fosfata (LiFePO4), metoda karbotermalne redukcije trenutno je druga najraširenija tehnologija nakon metode željeznog oksalata. Njegova glavna sirovina je feri željezo (Fe2PO4), uključujući željezni fosfat (Fe2PO4) i željezni oksid (Fe2O3). Tijekom reakcije ugljik (C) i ugljikov monoksid (C2O3) reduciraju feri željezo (Fe2PO4) u feri željezo (Fe2+), koje zatim ulazi u kristalnu rešetku, tvoreći kristalnu strukturu litij željezo fosfata (LiFePO4).
Prednost metode karbotermalne redukcije je u tome što se ne mora uzeti u obzir oksidacija sirovina tijekom obrade; razne metode miješanja mogu se koristiti za obradu sirovina kako bi se postiglo željeno stanje disperzije. Samo na visokotemperaturnom stupnju ugljik reducira fero željezo u feri željezo, stvarajući litij željezo fosfat, otuda naziv metoda karbotermalne redukcije. Metoda karbotermalne redukcije postiže-redukciju u jednom koraku, smanjuje izlaz plina i korisna je za poboljšanje prinosa. U isto vrijeme, proces sinteze je jednostavan i lak za kontrolu, što dovodi do toga da sve veći broj tvrtki prihvaća metodu karbotermalne redukcije.
Hidrotermalna priprema litij željezo fosfatnih materijala
▲Princip sinteze
▲Glavne sintetičke sirovine
▲Proces sinteze
▲Izvedba sintetičkih materijala
Hidrotermalna metoda je relativno napredna metoda za pripremu katodnih materijala litij željezo fosfat. Njegov glavni proces koristi superkritični hidrotermalni sustav, otapanje željeznog sulfata, litij hidroksida i fosforne kiseline u vodi, zagrijavanje otopine na više od 100 stupnjeva u zatvorenom okruženju kako bi nastala vodena otopina visoke-temperature i visokog{3}}tlaka. Reakcija se odvija kroz difuziju iona, stvarajući kristalne čestice litij željezo fosfata. Materijal čistog litij željezo fosfata zatim se filtrira, suši i oblaže ugljikom-da bi se formirao kompozit litij željezo fosfat/ugljik.
Konvencionalne metode ispitivanja i analize za litij željezo fosfatne materijale
▲ Analiza kemijskog sastava i metode ispitivanja za litij željezo fosfatne materijale
▲Metode ispitivanja fizičkih svojstava za litij željezo fosfatne materijale
▲Metode ispitivanja elektrokemijskih svojstava za litij željezo fosfatne materijale
▲Procjena praktične primjene litij željezo fosfatnih materijala
Za materijale litij željezo fosfat (LFP), testiranje je ključna tehnologija, čak i važnija od kontrole procesa sinteze. Bez preciznih i točnih podataka o ispitivanju ne mogu se postići stabilni procesni uvjeti, pa se stoga ne mogu proizvesti kvalificirani LFP proizvodi koji zadovoljavaju zahtjeve uporabe. Rigorozno testiranje materijala bitno je tijekom cijelog proizvodnog procesa, od nabave sirovina i sinteze do ocjene gotovog proizvoda. Stoga svaka jedinica koja istražuje i proizvodi LFP mora staviti veliki naglasak na izgradnju svog sustava testiranja. Korištenje sofisticirane opreme za testiranje, rigorozne metode testiranja i dobro-obučeno osoblje za testiranje temeljni su uvjeti da tvrtka zadrži svoju poziciju u industriji.
Analiza ostalih karakterističnih svojstava litij željezo fosfatnih materijala
▲Elektrokemijska analiza performansi litij željezo fosfatnih materijala
▲Elektronsko mikroskopska morfološka analiza litij željezo fosfatnih materijala
▲Površinska energija litij željezo fosfatnih materijala
▲Mjerenje topljivosti željeza u litij željezo fosfatnim materijalima
▲Spektroskopske karakteristike litij željezo fosfatnih materijala
U praktičnoj primjeni litij-željezo-fosfatnih materijala, uz rutinska ispitivanja učinkovitosti, također je potrebno izmjeriti neka specifična svojstva kako bi se pružila referenca za ocjenu učinkovitosti materijala i procese proizvodnje baterija. S napretkom tehnologije, neki parametri koji su se prije mogli mjeriti samo pomoću punih ćelija sada se mogu odrediti jednostavnim metodama. Na primjer, performanse ciklusa litij željezo fosfatnih materijala, posebno performanse ciklusa ugljika, sada se mogu procijeniti korištenjem posebno dizajniranih dugmastih ćelija, što uvelike pojednostavljuje proces mjerenja.
Tehnologija proizvodnje baterija koja koristi materijale litij željezo fosfat
▲Specifikacije dizajna sustava litij-željezo-fosfatnih baterija
▲Tehnologija pripreme suspenzije litij željezo fosfatnog materijala
▲Prevlačenje kaše litij željezo fosfata
▲Valjanje litij željezo fosfatnih elektroda
▲Transformacija i podjela
▲Ostali primjeri proizvodnje baterija
Za svaku litij-ionsku bateriju primarni je zadatak početni dizajn. Rad na dizajnu uključuje određivanje procesa proizvodnje litij-ionske baterije. Budući da učinkovitost baterije uglavnom određuju elektrode, dizajn elektroda ključni je aspekt procesa proizvodnje baterija. Ovo također vrijedi za litij željezo fosfatne baterije.
Glavna područja primjene litij željezo fosfatnih baterija
▲Primjena litij željezo fosfatnih baterija u električnim transportnim uređajima
▲Primjena litij željezo fosfatnih baterija u opskrbi energijom za pohranu energije
▲Primjena litij željezo fosfatnih baterija u električnim alatima
▲Primjene litij željezo fosfatnih baterija
Litij željezo fosfat (LFP) je katodni materijal za litij-ionske baterije, a njegova najveća prednost je visoka sigurnost. Također posjeduje prednosti koje nedostaju litij mangan oksidu i nikal-manganu-kobalt ternarnim materijalima, kao što su dug životni ciklus, niska cijena materijala i obilni izvori sirovina. LFP baterije imaju stabilan napon, umjeren radni napon, dobru kompatibilnost sa sustavima elektrolita, nisu-otrovne, nemaju učinak pamćenja i ne zagađuju okoliš. Njihova specifična energija može doseći 100-130 Wh/kg, što je 0,3-5 puta više od olovnih-kiselih baterija i 1,5 puta više od nikal-metal-hidridnih baterija. S obzirom na brojne prednosti, smatra se idealnom baterijom za električna vozila, skladištenje energije vjetra i sunca te sigurnom rezervnom baterijom za kućnu upotrebu.
Izgledi za druge katodne materijale za litij-ionske baterije
▲Katodni materijal litij vanadij fosfata -
▲Litij mangan fosfat katodni materijal
▲Katodni materijal litij željezo silikat
▲Katodni materijal litij željezo borat
▲Litijem-slojeviti katodni materijali
Pojava materijala litij željezo fosfata (LFP) postavila je temelj znanosti o materijalima za široku primjenu velikih-litij-ionskih baterija.
Kao što je dobro poznato, sigurnost litij-ionskih baterija uvijek je bila ključno i kritično pitanje koje je ograničavalo razvoj industrije. Čak ni u razvijenim zemljama sa stabilnim svojstvima materijala i sofisticiranom opremom za obradu, sigurnost litij-ionskih baterija ne može se u potpunosti jamčiti. S obzirom na trenutnu relativno nisku razinu obrade litij-ionske baterije u mojoj zemlji, LFP je dobro-prilagođen nacionalnim uvjetima moje zemlje, značajno poboljšavajući sigurnost baterije.