Z nenehnim prilagajanjem svetovne energetske strukture in hitrim razvojem obnovljivih virov energije,shranjevanje energijetehnologija postopoma postaja pomembna podpora za transformacijo energije in gonilna sila prihodnjega gospodarskega razvoja.
Uvod v tehnologijo baterij za shranjevanje energije
▲Pretvorba, shranjevanje in uporaba energije
▲Klasifikacija in uporaba tehnologij za shranjevanje energije
▲Pregled baterij za shranjevanje energije
▲Princip delovanja in sestava baterij za shranjevanje energije
▲Indikatorji učinkovitosti in s tem povezana terminologija baterij za shranjevanje energije
Energija je temeljna sila, ki poganja svet, in temeljni vir, od katerega je odvisen razvoj človeške družbe. Od začetne uporabe ognja do današnje elektrike sta razvoj in uporaba energije poganjala napredek civilizacije in oblikovala našo današnjo družbeno strukturo.
Z nenehno rastjo svetovnega povpraševanja po energiji in hitrim razvojem obnovljivih virov energije se je pojavila baterijska tehnologija za shranjevanje energije, ki je postala ključni steber energetskega sektorja. Baterije za shranjevanje energije lahko učinkovito shranijo občasne vire energije, kot sta vetrna in sončna energija, in jih sprostijo v obdobjih največjega povpraševanja, kar zagotavlja stabilnost oskrbe z energijo. Ta tehnologija ne le zmanjšuje odvisnosti od tradicionalnih fosilnih goriv, ampak zagotavlja tudi pomembna jamstva za doseganje nizko-ogljičnih in trajnostnih energetskih sistemov.
Razvoj tehnologije baterij za shranjevanje energije, od tradicionalnih svinčenih-kislinskih baterij do sodobnih litij-ionskih baterij in nato do nastajajočih polprevodniških-baterij in natrijevih-ionskih baterij, nenehno prebija tehnološka ozka grla. Z izboljšanjem gostote energije, podaljšanjem življenjske dobe in izboljšanjem varnosti so baterije za shranjevanje energije pokazale široke možnosti uporabe na področjih, kot so domače shranjevanje energije, transport in regulacija omrežja. Lahko rečemo, da baterijska tehnologija za shranjevanje energije ni le ključna za sedanjo transformacijo energetske strukture, temveč tudi jedro prihodnjih pametnih omrežij in porazdeljenih energetskih sistemov.
Tehnologija shranjevanja energije baterije-na osnovi litija
▲Struktura in princip delovanja litij{0}}ionskih baterij
▲Katodni materiali za litij-ionske baterije
▲Anodni materiali za litij-ionske baterije
▲Elektrolit za litij{0}}ionsko baterijo
▲Oblikovanje in proizvodnja litij-ionskih baterij
Leta 1970 je MS Whittingham iz ExxonMobila ustvaril prvo litij-ionsko baterijo. Kot pozitivno in negativno elektrodo je uporabil titanov disulfid in kovinski litij. Med polnjenjem in praznjenjem se kovinski litij nenehno porablja in ustvarja na negativni elektrodi, medtem ko titanov disulfid nenehno vnaša in ekstrahira litijeve ione na pozitivni elektrodi. Ta dva procesa sta reverzibilna skozi celotno življenjsko dobo baterije in tako tvorita sekundarno litij-ionsko baterijo z napetostjo 2 V. Leta 1982 sta RR Agarwal in JR Selman s Tehnološkega inštituta v Illinoisu odkrila, da imajo litijevi ioni lastnost vstavljanja v grafit, proces, ki je hiter in reverzibilen ... Od svojega začetka so litij{16}}ionske baterije so bili podvrženi procesu raziskav, razvoja in evolucije. S svojo vrhunsko in priročno zmogljivostjo vse bolj prodirajo na različna področja, od izdelkov 3C, kot so mobilni telefoni in tablični računalniki, do energetskih sektorjev, kot so električna vozila, in obsežnih{19}}polj za shranjevanje energije, kot sta fotovoltaika in vetrna energija, ki pomembno vplivajo na družbeno življenje.
Kaj je baterija?
▲ Zgodovina razvoja baterije
▲Uvod v litij-ionske baterije
▲Funkcije litij-ionskih baterij
▲Ključni materiali v litij-ionskih baterijah
Baterija je vrsta vira energije. Vire energije na splošno delimo na fizične vire energije in kemične vire energije. Fizični viri energije vključujejo naprave za proizvodnjo sončne energije, naprave za proizvodnjo termoelektrične energije, toplotne in hidroelektrične generatorje itd.; medtem ko se kemični viri energije nanašajo na naprave za proizvodnjo električne energije, ki lahko neposredno pretvorijo kemično energijo v električno energijo, to je kemične baterije v splošnem pomenu ali preprosto baterije.
Baterijski sistemi so se razvili skozi štiri generacije: svinčeve-kislinske baterije, nikelj-kadmijeve baterije, nikelj-metal-hidridne baterije in litij-ionske baterije. Učinkovitost baterije se nenehno izboljšuje, človeško razumevanje baterijskih sistemov pa se je poglobilo. Trenutno so litij-ionske baterije najučinkovitejši in energijsko-učinkovit akumulatorski sistem, ki predstavlja najvišjo raven človeških raziskav in tehnologije baterij.
Zgodovina raziskav in razvoja materialov litijevega železovega fosfata
▲ Zgodovina razvoja litijevega železovega fosfatnega materiala
▲Patentna situacija litijevega železovega fosfata
▲ Strukturne študije in študije učinkovitosti materialov litijevega železovega fosfata
Litijev železov fosfat (LiFeP, LFP, znan tudi kot litijev železov fosfat ali litijev železov fosfat) je katodni material, ki se uporablja v litij-ionskih baterijah. Zanj je značilna odsotnost dragocenih elementov, kot sta kobalt in nikelj, nizke cene surovin in obilica virov fosforja, litija in železa v zemeljski skorji, ki lahko zadovoljijo tržno povpraševanje, ki presega milijon ton na leto. Kot katodni material ima litij-železov fosfat zmerno delovno napetost (3,2 V), visoko specifično kapaciteto (170 mA·h/g), visoko moč praznjenja, zmožnost hitrega polnjenja, dolgo življenjsko dobo in dobro stabilnost pri visoki temperaturi in visoki vročini.
Proizvodna oprema, ki se uporablja pri izdelavi materialov iz litijevega železovega fosfata
▲Zahteve za proizvodno opremo:;Oprema za mešanje;Oprema za sušenje;Oprema za sintranje;Oprema za drobljenje; Oprema za pregledovanje; Generator dušika; Pakirna oprema.
Kadar se katodni materiali iz litijevega železovega fosfata (LFP) uporabljajo pri proizvodnji litij{0}}ionskih baterij, so zahteve glede njihove čistosti, faze in nečistoč izjemno stroge. Na primer, ko stopnja oksidacije dvovalentnega železa v LFP doseže 1%, se lahko specifična zmogljivost zmanjša za več kot 30%. To je zato, ker na novo ustvarjeno trivalentno železo prekriva površino LFP in tvori reaktivno plast, ki preprečuje nadaljnje notranje reakcije. Če je bil LFP že oksidiran, kasnejše metode redukcije ne morejo dati LFP, ker so bili litijevi ioni v surovini že izgubljeni.
Priprava materialov litijevega železovega fosfata z metodo železovega oksalata
▲ Princip sinteze
▲ Glavne sintetične surovine
▲Sintezni proces
▲Zmogljivost sintetičnih materialov
Postopek sintetiziranja litijevega železovega fosfata z uporabo železovega oksalata kot surovine se imenuje metoda železovega oksalata (ali preprosto železova metoda). Trenutno je metoda železovega oksalata najpogosteje uporabljen postopek in metoda na Kitajskem, saj jo uporablja več kot polovica domačih proizvajalcev. Njegove glavne prednosti so nizki stroški surovin, enostaven postopek in enostaven nadzor razmerja sestavin.
Priprava materialov litijevega železovega fosfata s karbotermalno redukcijo
▲ Princip sinteze
▲ Glavne sintetične surovine
▲Sintezni proces
▲Zmogljivost sintetičnih materialov
Med proizvajalci, ki proizvajajo materiale iz litijevega železovega fosfata (LiFePO4), je metoda karbotermalne redukcije trenutno druga najbolj razširjena tehnologija za metodo železovega oksalata. Njegova glavna surovina je železovo železo (Fe2PO4), vključno z železovim fosfatom (Fe2PO4) in železovim oksidom (Fe2O3). Med reakcijo ogljik (C) in ogljikov monoksid (C2O3) reducirata železovo železo (Fe2PO4) v železovo železo (Fe2+), ki nato vstopi v kristalno mrežo in tvori kristalno strukturo litijevega železovega fosfata (LiFePO4).
Prednost metode karbotermalne redukcije je, da med predelavo ni treba upoštevati oksidacije surovin; za obdelavo surovin, da dosežemo želeno stanje disperzije, lahko uporabimo različne metode mešanja. Šele na stopnji visoke temperature ogljik reducira železovo železo v železovo železo, pri čemer nastane litijev železov fosfat, od tod tudi ime karbotermalna metoda redukcije. Metoda karbotermalne redukcije doseže -stopenjsko redukcijo, zmanjša izpust plina in je koristna za izboljšanje donosa. Hkrati je proces sinteze preprost in enostaven za nadzor, kar vodi do vedno večjega števila podjetij, ki sprejemajo metodo karbotermalne redukcije.
Hidrotermalna priprava materialov litijevega železovega fosfata
▲ Princip sinteze
▲ Glavne sintetične surovine
▲Sintezni proces
▲Zmogljivost sintetičnih materialov
Hidrotermalna metoda je razmeroma napredna metoda za pripravo katodnih materialov iz litijevega železovega fosfata. Njegov glavni proces uporablja superkritični hidrotermalni sistem, raztapljanje železovega sulfata, litijevega hidroksida in fosforne kisline v vodi, segrevanje raztopine na več kot 100 stopinj v zaprtem okolju, da nastane vodna raztopina z visoko-temperaturo in visokim{3}}tlakom. Reakcija poteka z difuzijo ionov, pri čemer nastajajo kristalni delci litijevega železovega fosfata. Material čistega litijevega železovega fosfata se nato filtrira, posuši in prevleče z ogljikom, da nastane kompozit litijevega železovega fosfata/ogljika.
Konvencionalne metode testiranja in analize materialov iz litijevega železovega fosfata
▲ Analiza kemijske sestave in preskusne metode za litij železofosfatne materiale
▲ Metode testiranja fizikalnih lastnosti materialov iz litijevega železovega fosfata
▲Metode preskušanja elektrokemične učinkovitosti materialov iz litijevega železovega fosfata
▲Vrednotenje praktičnih uporab materialov litijevega železovega fosfata
Za materiale iz litijevega železovega fosfata (LFP) je testiranje temeljna tehnologija, celo pomembnejša od nadzora procesa sinteze. Brez natančnih in točnih podatkov o testiranju ni mogoče doseči stabilnih procesnih pogojev in tako ni mogoče izdelati kvalificiranih izdelkov LFP, ki izpolnjujejo zahteve uporabe. Strogo testiranje materialov je bistvenega pomena v celotnem proizvodnem procesu, od nabave surovin in sinteze do ocene končnega izdelka. Zato mora vsaka enota, ki raziskuje in proizvaja LFP, dati velik poudarek izgradnji svojega sistema testiranja. Uporaba sofisticirane opreme za testiranje, strogih metod testiranja in dobro-usposobljenega osebja za testiranje so temeljni pogoji, da podjetje ohrani svoj položaj v industriji.
Analiza drugih značilnih lastnosti materialov litijevega železovega fosfata
▲Analiza elektrokemijske učinkovitosti materialov litijevega železovega fosfata
▲Elektronsko mikroskopska morfološka analiza materialov litijevega železovega fosfata
▲ Površinska energija litijevega železovega fosfatnega materiala
▲Merjenje topnosti železa v materialih litijevega železovega fosfata
▲Spektroskopske značilnosti materialov litijevega železovega fosfata
Pri praktični uporabi materialov litijevega železovega fosfata je poleg rutinskih preskusov delovanja potrebno izmeriti tudi nekatere posebne lastnosti, da se zagotovi referenca za oceno učinkovitosti materiala in procese izdelave baterij. Z napredkom tehnologije je nekatere parametre, ki jih je bilo prej mogoče meriti samo s polnimi celicami, zdaj mogoče določiti s preprostimi metodami. Na primer, delovanje cikla materialov litij-železov fosfat, zlasti delovanje ogljikovega cikla, je zdaj mogoče oceniti z uporabo posebej zasnovanih gumbastih celic, kar močno poenostavi postopek merjenja.
Tehnologija izdelave baterij z uporabo materialov litij-železov fosfat
▲Specifikacije zasnove sistema litij-železove fosfatne baterije
▲ Tehnologija priprave gnojevke materiala iz litijevega železovega fosfata
▲Prevleka iz gošče litijevega železovega fosfata
▲Valjanje litij železofosfatnih elektrod
▲Preobrazba in delitev
▲Drugi primeri izdelave baterij
Za vsako litij-ionsko baterijo je prvotna zasnova primarna naloga. Načrtovanje vključuje določitev postopka izdelave litij-ionske baterije. Ker učinkovitost baterije v glavnem določajo elektrode, je zasnova elektrod osrednji vidik postopka izdelave baterij. To velja tudi za litij-železo-fosfatne baterije.
Glavna področja uporabe litij-železo-fosfatnih baterij
▲Aplikacije litij železofosfatnih baterij v električnih transportnih napravah
▲Uporaba litij-železo-fosfatnih baterij pri napajanju za shranjevanje energije
▲Uporaba litij-železo-fosfatnih baterij v električnih orodjih
▲Aplikacije litij železofosfatnih baterij
Litijev železov fosfat (LFP) je katodni material za litij-ionske baterije, njegova največja prednost pa je visoka varnost. Ima tudi prednosti, ki jih manjkajo litij-manganov oksid in trikomponentni materiali nikelj-mangan-kobalt, kot so dolga življenjska doba, nizki stroški materiala in izdatni viri surovin. LFP baterije imajo stabilno napetost, zmerno delovno napetost, dobro združljivost z elektrolitskimi sistemi, niso -toksične, nimajo spominskega učinka in ne onesnažujejo okolja. Njihova specifična energija lahko doseže 100–130 Wh/kg, kar je 0,3–5-krat več kot pri svinčenih-kislinskih baterijah in 1,5-krat več kot pri nikelj-metal-hidridnih baterijah. Glede na številne prednosti velja za idealno baterijo za električna vozila, shranjevanje vetrne in sončne energije ter varno rezervno baterijo za domačo uporabo.
Obeti za druge katodne materiale za litij-ionske baterije
▲Litijev vanadijev fosfatni katodni material -
▲Litijev manganov fosfatni katodni material
▲ Katodni material iz litij-železovega silikata
▲Katodni material litij-železov borat
▲Slojeviti katodni-materiali bogati z litijem
Pojav materialov litij-železov fosfat (LFP) je postavil temelje znanosti o materialih za široko uporabo velikih-litij-ionskih baterij.
Kot je dobro znano, je bila varnost litij-ionskih baterij vedno osrednje in kritično vprašanje, ki omejuje razvoj industrije. Tudi v razvitih državah s stabilnimi lastnostmi materialov in sofisticirano opremo za obdelavo ni mogoče v celoti zagotoviti varnosti litij-ionskih baterij. Glede na trenutno sorazmerno nizko stopnjo obdelave litij-ionskih baterij v moji državi je LFP zelo-primeren nacionalnim pogojem moje države in bistveno izboljša varnost baterije.