Met de voortdurende aanpassing van de mondiale energiestructuur en de snelle ontwikkeling van hernieuwbare energie,energie opslagtechnologie wordt geleidelijk een belangrijke ondersteuning voor energietransformatie en het aandrijven van toekomstige economische ontwikkeling.
Inleiding tot energieopslagbatterijtechnologie
▲Energieconversie, opslag en gebruik
▲Classificatie en toepassing van technologieën voor energieopslag
▲Overzicht van energieopslagbatterijen
▲Werkingsprincipe en samenstelling van energieopslagbatterijen
▲Prestatie-indicatoren en gerelateerde terminologie van energieopslagbatterijen
Energie is de fundamentele kracht die de wereld aandrijft en een kernhulpbron waarvan de menselijke samenleving afhankelijk is voor haar ontwikkeling. Vanaf het eerste gebruik van vuur tot de huidige elektriciteit heeft de ontwikkeling en het gebruik van energie de vooruitgang van de beschaving gestimuleerd en onze huidige sociale structuur gevormd.
Met de voortdurende groei van de mondiale vraag naar energie en de snelle ontwikkeling van hernieuwbare energie is de technologie voor energieopslagbatterijen naar voren gekomen en een cruciale pijler van de energiesector geworden. Energieopslagbatterijen kunnen intermitterende energiebronnen zoals wind- en zonne-energie effectief opslaan en deze vrijgeven tijdens piekperiodes, waardoor de stabiliteit van de stroomvoorziening wordt gegarandeerd. Deze technologie vermindert niet alleen de afhankelijkheid van traditionele fossiele brandstoffen, maar biedt ook belangrijke garanties voor het realiseren van-koolstofarme en duurzame energiesystemen.
De ontwikkeling van technologie voor energieopslagbatterijen, van traditionele lood{0}}zuurbatterijen tot moderne lithium-ionbatterijen, en vervolgens tot opkomende solid{2}}vaste{2}}batterijen en natrium-ionbatterijen, doorbreekt voortdurend technologische knelpunten. Door de energiedichtheid te verbeteren, de levensduur te verlengen en de veiligheid te vergroten, hebben energieopslagbatterijen brede toepassingsmogelijkheden getoond op gebieden zoals energieopslag in huis, transport en netregulering. Er kan worden gezegd dat technologie voor energieopslagbatterijen niet alleen de sleutel is tot de huidige transformatie van de energiestructuur, maar ook de kern van toekomstige slimme netwerken en gedistribueerde energiesystemen.
Op lithium-gebaseerde batterij-energieopslagtechnologie
▲Structuur en werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen
▲Kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen
▲Anodematerialen voor lithium-ionbatterijen
▲Lithium-ionenbatterij-elektrolyt
▲Ontwerp en productie van lithium-ionbatterijen
In 1970 creëerde MS Whittingham van ExxonMobil de eerste lithium-ionbatterij. Hij gebruikte respectievelijk titaniumdisulfide en metallisch lithium als positieve en negatieve elektroden. Tijdens het opladen en ontladen wordt metallisch lithium continu verbruikt en gegenereerd aan de negatieve elektrode, terwijl titaniumdisulfide continu lithiumionen inbrengt en extraheert aan de positieve elektrode. Deze twee processen zijn omkeerbaar gedurende de levensduur van de batterij en vormen zo een secundaire lithium-ionbatterij met een spanning van 2V. In 1982 ontdekten RR Agarwal en JR Selman van het Illinois Institute of Technology dat lithiumionen de eigenschap hebben om te intercaleren in grafiet, een proces dat snel en omkeerbaar is... Sinds het begin hebben lithium-ionbatterijen een proces van onderzoek, ontwikkeling en evolutie ondergaan. Met hun superieure en handige prestaties dringen ze steeds meer door in verschillende domeinen, van 3C-producten zoals mobiele telefoons en tablets tot energiesectoren zoals elektrische voertuigen en grootschalige energieopslagvelden zoals fotovoltaïsche zonne-energie en windenergie, waardoor het sociale leven aanzienlijk wordt beïnvloed.
Wat is een batterij?
▲ Geschiedenis van batterijontwikkeling
▲Inleiding tot lithium-ionbatterijen
▲Kenmerken van lithium-ionbatterijen
▲Belangrijke materialen in lithium-ionbatterijen
Een batterij is een soort stroombron. Energiebronnen worden over het algemeen onderverdeeld in fysieke energiebronnen en chemische energiebronnen. Fysieke energiebronnen omvatten apparaten voor het opwekken van zonne-energie, apparaten voor het opwekken van thermo-elektrische energie, thermische en hydro-elektrische generatoren, enz.; terwijl chemische energiebronnen verwijzen naar apparaten voor energieopwekking die chemische energie direct in elektrische energie kunnen omzetten, dat wil zeggen chemische batterijen in algemene zin, of eenvoudigweg batterijen.
Batterijsystemen zijn in vier generaties geëvolueerd: lood-zuurbatterijen, nikkel-cadmiumbatterijen, nikkel-metaalhydridebatterijen en lithium-ionbatterijen. De batterijprestaties zijn voortdurend verbeterd en het menselijke begrip van batterijsystemen is verdiept. Momenteel zijn lithium-ionbatterijen het meest efficiënte en energie-efficiënte oplaadbare batterijsysteem, dat het hoogste niveau van onderzoek en technologie op het gebied van menselijke batterijen vertegenwoordigt.
Onderzoeks- en ontwikkelingsgeschiedenis van lithium-ijzerfosfaatmaterialen
▲Ontwikkelingsgeschiedenis van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲Octrooisituatie van lithiumijzerfosfaat
▲Structuur- en prestatiestudies van lithiumijzerfosfaatmaterialen
Lithiumijzerfosfaat (LiFeP, LFP, ook bekend als lithiumijzerfosfaat of lithiumijzerfosfaat) is een kathodemateriaal dat wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. Het wordt gekenmerkt door de afwezigheid van kostbare elementen zoals kobalt en nikkel, lage grondstofprijzen en de overvloed aan fosfor-, lithium- en ijzerbronnen in de aardkorst, die kunnen voldoen aan de marktvraag van meer dan een miljoen ton per jaar. Als kathodemateriaal heeft lithiumijzerfosfaat een gemiddelde bedrijfsspanning (3,2 V), een hoge specifieke capaciteit (170 mA·h/g), een hoog ontladingsvermogen, een snel oplaadvermogen, een lange levensduur en een goede stabiliteit onder omgevingen met hoge temperaturen en hoge temperaturen.
Productieapparatuur gebruikt bij de vervaardiging van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Vereisten voor productieapparatuur:; Mengapparatuur; Droogapparatuur; Sinterapparatuur; Breekapparatuur; Zeefapparatuur; Stikstofgenerator;Verpakkingsapparatuur.
Wanneer kathodematerialen van lithiumijzerfosfaat (LFP) worden gebruikt bij de productie van lithium{0}}ionbatterijen, zijn de vereisten voor hun zuiverheid, fase en onzuiverheden extreem streng. Wanneer de oxidatiegraad van tweewaardig ijzer in LFP bijvoorbeeld 1% bereikt, kan de specifieke capaciteit met meer dan 30% afnemen. Dit komt omdat het nieuw gegenereerde driewaardige ijzer het oppervlak van de LFP bedekt en een reactieve laag vormt die verdere interne reacties voorkomt. Als LFP al is geoxideerd, kunnen daaropvolgende reductiemethoden geen LFP opleveren omdat de lithiumionen in de grondstof al verloren zijn gegaan.
Bereiding van lithiumijzerfosfaatmaterialen met behulp van de ferrooxalaatmethode
▲Syntheseprincipe
▲ Belangrijkste synthetische grondstoffen
▲Syntheseproces
▲ Prestaties van synthetische materialen
Het proces van het synthetiseren van lithiumijzerfosfaat met behulp van ferro-oxalaat als grondstof wordt de ferro-oxalaatmethode (of eenvoudigweg ferro-methode) genoemd. Momenteel is de ferro-oxalaatmethode het meest gebruikte proces en de meest gebruikte methode in China, waarbij meer dan de helft van de binnenlandse fabrikanten deze gebruikt. De belangrijkste voordelen zijn de lage grondstofkosten, het eenvoudige proces en de gemakkelijke controle van de ingrediëntenverhoudingen.
Bereiding van lithiumijzerfosfaatmaterialen door carbothermische reductie
▲Syntheseprincipe
▲ Belangrijkste synthetische grondstoffen
▲Syntheseproces
▲ Prestaties van synthetische materialen
Onder fabrikanten die lithiumijzerfosfaat (LiFePO4)-materialen produceren, is de carbothermische reductiemethode momenteel de tweede meest gebruikte technologie, na de ferro-oxalaatmethode. De belangrijkste grondstof is ijzerijzer (Fe2PO4), inclusief ijzerfosfaat (Fe2PO4) en ijzeroxide (Fe2O3). Tijdens de reactie reduceren koolstof (C) en koolmonoxide (C2O3) ferri-ijzer (Fe2PO4) tot ferro-ijzer (Fe2+), dat vervolgens het kristalrooster binnendringt en de kristalstructuur van lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) vormt.
Het voordeel van de carbothermische reductiemethode is dat er tijdens de verwerking geen rekening gehouden hoeft te worden met de oxidatie van de grondstoffen; Er kunnen verschillende mengmethoden worden gebruikt om de grondstoffen te verwerken om de gewenste dispersietoestand te bereiken. Alleen in het hoge temperatuurstadium reduceert koolstof ferri-ijzer tot ferro-ijzer, waarbij lithiumijzerfosfaat wordt gevormd, vandaar de naam carbothermische reductiemethode. De carbothermische reductiemethode bereikt een reductie in één- stap, vermindert de gasproductie en is gunstig voor het verbeteren van de opbrengst. Tegelijkertijd is het syntheseproces eenvoudig en gemakkelijk te controleren, wat ertoe leidt dat steeds meer bedrijven de carbothermische reductiemethode toepassen.
Hydrothermische bereiding van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲Syntheseprincipe
▲ Belangrijkste synthetische grondstoffen
▲Syntheseproces
▲ Prestaties van synthetische materialen
De hydrothermische methode is een relatief geavanceerde methode voor het bereiden van kathodematerialen van lithiumijzerfosfaat. Het hoofdproces maakt gebruik van een superkritisch hydrothermisch systeem, waarbij ferrosulfaat, lithiumhydroxide en fosforzuur in water worden opgelost en de oplossing in een afgesloten omgeving tot meer dan 100 graden wordt verwarmd om een waterige oplossing met hoge- temperatuur en hoge- druk te vormen. De reactie verloopt via ionendiffusie, waarbij lithiumijzerfosfaatkristaldeeltjes ontstaan. Het zuivere lithium-ijzerfosfaat-materiaal wordt vervolgens gefilterd, gedroogd en met koolstof-gecoat om een lithium-ijzerfosfaat/koolstof-composiet te vormen.
Conventionele test- en analysemethoden voor lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Analyse van de chemische samenstelling en testmethoden voor lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Testmethoden voor fysieke eigenschappen voor lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲Elektrochemische prestatietestmethoden voor lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Evaluatie van praktische toepassingen van lithium-ijzerfosfaatmaterialen
Voor lithiumijzerfosfaat (LFP)-materialen is testen een kerntechnologie, zelfs belangrijker dan de controle van het syntheseproces. Zonder nauwkeurige en nauwkeurige testgegevens kunnen er geen stabiele procesomstandigheden worden verkregen en kunnen er dus geen gekwalificeerde LFP-producten worden geproduceerd die aan de gebruikseisen voldoen. Het rigoureus testen van materialen is essentieel gedurende het gehele productieproces, van de inkoop en synthese van grondstoffen tot de evaluatie van het eindproduct. Daarom moet elke eenheid die LFP onderzoekt en produceert grote nadruk leggen op de constructie van zijn testsysteem. Het gebruik van geavanceerde testapparatuur, rigoureuze testmethoden en goed-getraind testpersoneel zijn fundamentele voorwaarden voor een bedrijf om zijn positie in de branche te behouden.
Analyse van andere karakteristieke eigenschappen van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲Elektrochemische prestatieanalyse van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲Elektronenmicroscopische morfologieanalyse van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Oppervlakte-energie van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Meting van de ijzeroplosbaarheid in lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Spectroscopische kenmerken van lithiumijzerfosfaatmaterialen
Bij de praktische toepassing van lithiumijzerfosfaatmaterialen is het, naast de routinematige prestatietests, ook noodzakelijk om enkele specifieke eigenschappen te meten om een referentie te bieden voor de evaluatie van materiaalprestaties en productieprocessen voor batterijen. Met de vooruitgang van de technologie kunnen sommige parameters die voorheen alleen met volledige cellen konden worden gemeten, nu met behulp van eenvoudige methoden worden bepaald. De cyclusprestaties van lithiumijzerfosfaatmaterialen, en vooral de koolstofcyclusprestaties, kunnen nu bijvoorbeeld worden geëvalueerd met behulp van speciaal ontworpen knoopcellen, waardoor het meetproces aanzienlijk wordt vereenvoudigd.
Batterijproductietechnologie waarbij gebruik wordt gemaakt van lithiumijzerfosfaatmaterialen
▲ Ontwerpspecificaties voor lithium-ijzerfosfaatbatterijsysteem
▲ Technologie voor het bereiden van slurry met lithiumijzerfosfaatmateriaal
▲ Coating van lithiumijzerfosfaat-slurry
▲Rollen van lithium-ijzerfosfaatelektroden
▲Transformatie en verdeeldheid
▲Andere voorbeelden van batterijproductie
Voor elke lithium-ionbatterij is het initiële ontwerp de primaire taak. Het ontwerpwerk omvat het bepalen van het productieproces van de lithium-ionbatterij. Omdat de prestaties van de batterij voornamelijk worden bepaald door de elektroden, is het elektrodeontwerp een kernaspect van het productieproces van de batterij. Dit geldt ook voor lithium-ijzerfosfaatbatterijen.
Belangrijkste toepassingsgebieden van lithium-ijzerfosfaatbatterijen
▲Toepassingen van lithium-ijzerfosfaatbatterijen in elektrische transportmiddelen
▲Toepassingen van lithium-ijzerfosfaatbatterijen in de stroomvoorziening voor energieopslag
▲Toepassingen van lithium-ijzerfosfaatbatterijen in elektrisch gereedschap
▲Toepassingen van lithium-ijzerfosfaatbatterijen
Lithiumijzerfosfaat (LFP) is het kathodemateriaal voor lithium{0}}ionbatterijen, en het grootste voordeel is de hoge veiligheid ervan. Het heeft ook voordelen die de ternaire materialen lithiummangaanoxide en nikkel-mangaan-kobalt missen, zoals een lange levensduur, lage materiaalkosten en overvloedige grondstoffenbronnen. LFP-batterijen hebben een stabiele spanning, een gemiddelde bedrijfsspanning, goede compatibiliteit met elektrolytsystemen, zijn niet-giftig, hebben geen geheugeneffect en vervuilen het milieu niet. Hun specifieke energie kan oplopen tot 100–130 Wh/kg, wat 0,3 tot 5 keer zoveel is als die van lood-zuuraccu's en 1,5 keer zo hoog als die van nikkel-metaalhydridebatterijen. Gezien de talrijke voordelen wordt het beschouwd als een ideale batterij voor elektrische voertuigen, opslag van wind- en zonne-energie en veilige back-upbatterijen voor thuisgebruik.
Outlook voor andere kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen
▲Lithiumvanadiumfosfaatkathodemateriaal -
▲Lithiummangaanfosfaatkathodemateriaal
▲ Kathodemateriaal van lithium-ijzersilicaat
▲ Kathodemateriaal van lithium-ijzerboraat
▲Lithium-rijke gelaagde kathodematerialen
De opkomst van lithium-ijzerfosfaat (LFP)-materialen heeft de materiaalwetenschappelijke basis gelegd voor de wijdverbreide toepassing van grootschalige -lithium--ionbatterijen.
Zoals bekend is de veiligheid van lithium-ionbatterijen altijd een cruciaal en cruciaal probleem geweest dat de ontwikkeling van de industrie beperkt. Zelfs in ontwikkelde landen met stabiele materiaaleigenschappen en geavanceerde verwerkingsapparatuur kan de veiligheid van lithium-ionbatterijen niet volledig worden gegarandeerd. Gezien het huidige relatief lage verwerkingsniveau van lithium-ionbatterijen in mijn land, is LFP goed-geschikt voor de nationale omstandigheden van mijn land, waardoor de batterijveiligheid aanzienlijk wordt verbeterd.