A globális energiastruktúra folyamatos igazodásával és a megújuló energia gyors fejlődésével,energiatárolásA technológia fokozatosan az energiaátalakítás és a jövőbeli gazdasági fejlődés egyik fontos támaszává válik.
Bevezetés az energiatároló akkumulátor-technológiába
▲Energia átalakítás, tárolás és hasznosítás
▲Az energiatárolási technológiák osztályozása és alkalmazása
▲Az energiatároló akkumulátorok áttekintése
▲Az energiatároló akkumulátorok működési elve és összetétele
▲Az energiatároló akkumulátorok teljesítménymutatói és kapcsolódó terminológiája
Az energia a világot mozgató alapvető erő, és olyan alapvető erőforrás, amelytől az emberi társadalom fejlődése függ. A tűz kezdeti használatától a mai elektromosságig az energia fejlődése és hasznosítása hajtotta a civilizáció fejlődését, és formálta jelenlegi társadalmi szerkezetünket.
A globális energiaigény folyamatos növekedésével és a megújuló energia gyors fejlődésével az energiatároló akkumulátor technológia megjelent, és az energiaszektor döntő pillérévé vált. Az energiatároló akkumulátorok hatékonyan képesek tárolni az időszakos energiaforrásokat, például a szél- és a napenergiát, és felszabadítani azokat a csúcsigényes időszakokban, biztosítva az áramellátás stabilitását. Ez a technológia nemcsak csökkenti a hagyományos fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget, hanem fontos garanciákat is nyújt az alacsony-szén-dioxid-kibocsátású és fenntartható energiarendszerek megvalósításához.
Az energiatároló akkumulátorok technológiájának fejlesztése, a hagyományos ólom-savas akkumulátoroktól a modern lítium-ionos akkumulátorokig, majd a feltörekvő szilárdtest-akkumulátorokig és nátrium-ion akkumulátorokig folyamatosan áttöri a technológiai szűk keresztmetszeteket. Az energiasűrűség javításával, az élettartam meghosszabbításával és a biztonság fokozásával az energiatároló akkumulátorok széles körű alkalmazási lehetőségeket mutattak be olyan területeken, mint az otthoni energiatárolás, a szállítás és a hálózatszabályozás. Elmondható, hogy az energiatároló akkumulátor-technológia nemcsak a jelenlegi energiaszerkezet-átalakítás kulcsa, hanem a jövő intelligens hálózatainak és elosztott energiarendszereinek magja is.
Lítium{0}}alapú akkumulátoros energiatároló technológia
▲A lítium{0}}ion akkumulátorok felépítése és működési elve
▲Lítium{0}}ion akkumulátor katód anyagok
▲Lítium-ion akkumulátor anód anyagok
▲Lítium{0}}ion akkumulátor-elektrolit
▲Lítium{0}}ion akkumulátorok tervezése és gyártása
1970-ben az MS Whittingham, az ExxonMobil cég megalkotta az első lítium-ion akkumulátort. Pozitív és negatív elektródákként titán-diszulfidot, fémes lítiumot használt. A töltés és kisütés során a fém lítium folyamatosan fogyasztódik és keletkezik a negatív elektródán, míg a titán-diszulfid folyamatosan behelyezi és kivonja a lítiumionokat a pozitív elektródán. Ez a két folyamat megfordítható az akkumulátor teljes élettartama alatt, így egy 2V feszültségű másodlagos lítium{7}}akkumulátor jön létre. RR Agarwal és JR Selman, az Illinois Institute of Technology munkatársa 1982-ben felfedezte, hogy a lítium-ionok képesek grafittá interkalálódni. Ez a folyamat gyors és visszafordítható az akkumulátorok feszültsége alatt. kutatási, fejlesztési és evolúciós folyamat. Kiváló és kényelmes teljesítményükkel egyre inkább behatolnak a különböző területekre, a 3C-termékektől, például a mobiltelefonoktól és táblagépektől az energiaszektorokig, például az elektromos járművekig és a nagy{19}}méretű energiatároló mezőkig, mint például a fotovoltaikus és a szélenergia, jelentősen befolyásolva a társadalmi életet.
Mi az akkumulátor?
▲ Az akkumulátor fejlesztési előzményei
▲ A lítium{0}}ion akkumulátorok bemutatása
▲ A lítium{0}}ion akkumulátorok jellemzői
▲ A lítium-{0}}ion akkumulátorok legfontosabb anyagai
Az akkumulátor egyfajta áramforrás. Az áramforrásokat általában fizikai és kémiai energiaforrásokra osztják. A fizikai energiaforrások közé tartoznak a napenergia-termelő eszközök, a termoelektromos áramtermelő berendezések, a hő- és vízerőművek stb.; míg a kémiai áramforrások olyan áramfejlesztő berendezéseket jelentenek, amelyek a kémiai energiát közvetlenül elektromos energiává alakíthatják át, vagyis az általános értelemben vett kémiai akkumulátorokat, vagy egyszerűen akkumulátorokat.
Az akkumulátorrendszerek négy generáción keresztül fejlődtek: ólom-savas akkumulátorok, nikkel-kadmium akkumulátorok, nikkel-fémhidrid akkumulátorok és lítium-ion akkumulátorok. Az akkumulátor teljesítménye folyamatosan javult, és az akkumulátorrendszerekkel kapcsolatos emberi ismeretek elmélyültek. Jelenleg a lítium{6}}ion akkumulátorok a leghatékonyabb és legenergiahatékonyabb- újratölthető akkumulátorrendszerek, amelyek az emberi akkumulátorkutatás és -technológia legmagasabb szintjét képviselik.
Lítium-vas-foszfát anyagok kutatás-fejlesztési története
▲ A lítium-vas-foszfát anyagok fejlődéstörténete
▲ A lítium-vas-foszfát szabadalmi helyzete
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok szerkezeti és teljesítményvizsgálata
A lítium-vas-foszfát (LiFeP, LFP, más néven lítium-vas-foszfát vagy lítium-vas-foszfát) a lítium-{0}}ionos akkumulátorokban használt katódanyag. Jellemzője az olyan értékes elemek hiánya, mint a kobalt és a nikkel, az alacsony nyersanyagárak, valamint a földkéreg bőséges foszfor-, lítium- és vaskészlete, amely képes kielégíteni az évi egymillió tonnát meghaladó piaci igényeket. A lítium-vas-foszfát katódanyagként mérsékelt üzemi feszültséggel (3,2 V), nagy fajlagos kapacitással (170 mA·h/g), nagy kisütési teljesítménnyel, gyors töltési képességgel, hosszú élettartammal és jó stabilitással rendelkezik magas hőmérsékleten és magas hőmérsékleten.
Lítium-vas-foszfát anyagok gyártásához használt gyártóberendezések
▲ Gyártóberendezésekre vonatkozó követelmények:; Keverő berendezések; Szárító berendezések; Szinterező berendezések,; Zúzóberendezések; Szűrőberendezések; Nitrogéngenerátor; Csomagoló berendezések.
Ha lítium-vas-foszfát (LFP) katódanyagokat használnak a lítium-ion akkumulátorok gyártásában, a tisztaságukra, fázisukra és szennyeződésükre vonatkozó követelmények rendkívül szigorúak. Például, ha a kétértékű vas oxidációs foka az LFP-ben eléri az 1%-ot, a fajlagos kapacitás több mint 30%-kal csökkenhet. Ennek az az oka, hogy az újonnan előállított háromértékű vas bevonja az LFP felületét, és egy reaktív réteget képez, amely megakadályozza a további belső reakciókat. Ha az LFP-t már oxidálták, a további redukciós módszerek nem eredményezhetnek LFP-t, mivel a nyersanyagban lévő lítium-ionok már elvesztek.
Lítium-vas-foszfát anyagok előállítása vas-oxalát módszerrel
▲ Szintézis elve
▲ Fő szintetikus alapanyagok
▲ Szintézis folyamat
▲ Szintetikus anyagok teljesítménye
A vas-oxalát nyersanyag felhasználásával lítium-vas-foszfát szintetizálásának folyamatát vas-oxalát módszernek (vagy egyszerűen vas-módszernek) nevezik. Jelenleg a vas-oxalát módszer a legszélesebb körben alkalmazott eljárás és módszer Kínában, a hazai gyártók több mint fele ezt használja. Fő előnyei az alacsony nyersanyagköltségek, az egyszerű folyamat és az összetevők arányának egyszerű szabályozása.
Lítium-vas-foszfát anyagok előállítása karbotermikus redukcióval
▲ Szintézis elve
▲ Fő szintetikus alapanyagok
▲ Szintézis folyamat
▲ Szintetikus anyagok teljesítménye
A lítium-vasfoszfát (LiFePO4) anyagokat gyártó gyártók között a karbotermikus redukciós módszer jelenleg a második legszélesebb körben alkalmazott technológia a vas-oxalát módszer után. Fő nyersanyaga a vas (Fe2PO4), ezen belül a vas-foszfát (Fe2PO4) és a vas-oxid (Fe2O3). A reakció során a szén (C) és a szén-monoxid (C2O3) a vasvasat (Fe2PO4) vasvassá (Fe2+) redukálja, amely azután belép a kristályrácsba, kialakítva a lítium-vas-foszfát (LiFePO4) kristályszerkezetét.
A karbotermikus redukciós módszer előnye, hogy a feldolgozás során nem kell számolni az alapanyagok oxidációjával; különféle keverési módszerekkel lehet feldolgozni az alapanyagokat a kívánt diszperziós állapot elérése érdekében. A szén csak magas hőmérsékleten redukálja a vasvasat vasvassá, és lítium-vas-foszfátot képez, innen ered a karbotermikus redukciós módszer elnevezés. A karbotermikus redukciós módszer egy-lépéses csökkentést ér el, csökkenti a gázkibocsátást, és előnyös a hozam növelésében. Ugyanakkor a szintézis folyamata egyszerű és könnyen irányítható, aminek következtében egyre több vállalat alkalmazza a karbotermikus redukciós módszert.
Lítium-vas-foszfát anyagok hidrotermikus előállítása
▲ Szintézis elve
▲ Fő szintetikus alapanyagok
▲ Szintézis folyamat
▲ Szintetikus anyagok teljesítménye
A hidrotermikus módszer viszonylag fejlett módszer a lítium-vas-foszfát katód anyagok előállítására. Fő eljárása szuperkritikus hidrotermikus rendszert alkalmaz, vas(II)-szulfátot, lítium-hidroxidot és foszforsavat vízben oldva, az oldatot zárt környezetben 100 fok fölé melegítve magas-hőmérsékletű, nagy-nyomású vizes oldat keletkezik. A reakció iondiffúzióval megy végbe, lítium-vas-foszfát kristályrészecskéket hozva létre. A tiszta lítium-vas-foszfát anyagot ezután szűrjük, szárítjuk, és szénnel -bevonjuk, így lítium-vas-foszfát/szén kompozitot kapunk.
Lítium-vas-foszfát anyagok hagyományos vizsgálati és elemzési módszerei
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok kémiai összetételének elemzése és vizsgálati módszerei
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok fizikai tulajdonságainak vizsgálati módszerei
▲Lítium-vas-foszfát anyagok elektrokémiai teljesítményvizsgálati módszerei
▲Lítium-vas-foszfát anyagok gyakorlati alkalmazásainak értékelése
A lítium-vas-foszfát (LFP) anyagok esetében a tesztelés alapvető technológia, még a szintézis folyamatának szabályozásánál is fontosabb. Pontos és pontos vizsgálati adatok nélkül nem érhetők el stabil folyamatkörülmények, így nem állíthatók elő a felhasználási követelményeknek megfelelő minősített LFP termékek. Az anyagok szigorú tesztelése elengedhetetlen a teljes gyártási folyamat során, a nyersanyagbeszerzéstől és a szintézistől a késztermék értékeléséig. Ezért minden LFP-t kutató és gyártó egységnek nagy hangsúlyt kell fektetnie tesztelési rendszerének felépítésére. A kifinomult tesztelő berendezések, a szigorú tesztelési módszerek és a jól képzett tesztelő személyzet-létfontosságú feltétele annak, hogy egy vállalat megőrizze pozícióját az iparágban.
A lítium-vas-foszfát anyagok egyéb jellemző tulajdonságainak elemzése
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok elektrokémiai teljesítményelemzése
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok elektronmikroszkópos morfológiai analízise
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok felületi energiája
▲ Vas oldhatóságának mérése lítium-vas-foszfát anyagokban
▲ Lítium-vas-foszfát anyagok spektroszkópiai jellemzői
A lítium-vas-foszfát anyagok gyakorlati alkalmazása során a rutin teljesítményvizsgálatok mellett néhány konkrét tulajdonság mérésére is szükség van, hogy referenciaként szolgáljon az anyagteljesítmény értékeléséhez és az akkumulátor gyártási folyamatokhoz. A technológia fejlődésével egyes olyan paraméterek, amelyeket korábban csak teljes cellákkal lehetett mérni, ma már egyszerű módszerekkel is meghatározhatók. Például a lítium-vas-foszfát anyagok ciklusteljesítménye, különösen a szénciklus-teljesítmény, ma már kiértékelhető speciálisan tervezett érmecellák segítségével, ami nagyban leegyszerűsíti a mérési folyamatot.
Akkumulátorgyártási technológia lítium-vas-foszfát anyagok felhasználásával
▲ A lítium-vas-foszfát akkumulátor rendszer tervezési specifikációi
▲ Lítium-vas-foszfát anyagú zagy-előkészítési technológia
▲ Lítium-vas-foszfát-iszap bevonása
▲ Lítium-vas-foszfát elektródák hengerlése
▲ Átalakítás és felosztás
▲ További példák az akkumulátorgyártásra
Minden lítium{0}}ion akkumulátor esetében a kezdeti tervezés az elsődleges feladat. A tervezési munka magában foglalja a lítium-ion akkumulátor gyártási folyamatának meghatározását. Mivel az akkumulátor teljesítményét főként az elektródák határozzák meg, az elektródák kialakítása az akkumulátor gyártási folyamatának alapvető szempontja. Ez igaz a lítium-vas-foszfát akkumulátorokra is.
A lítium-vas-foszfát akkumulátorok fő alkalmazási területei
▲Lítium-vas-foszfát akkumulátorok alkalmazása elektromos szállítóeszközökben
▲ Lítium-vas-foszfát akkumulátorok alkalmazása energiatároló tápegységben
▲ Lítium-vas-foszfát akkumulátorok alkalmazása elektromos kéziszerszámokban
▲ A lítium-vas-foszfát akkumulátorok alkalmazásai
A lítium-vas-foszfát (LFP) a lítium-{0}}ionos akkumulátorok katódanyaga, és legnagyobb előnye a nagy biztonság. Előnyei is vannak, hogy hiányoznak a lítium-mangán-oxid és a nikkel-mangán-kobalt háromkomponensű anyagok, például hosszú élettartam, alacsony anyagköltség és bőséges nyersanyagforrás. Az LFP akkumulátorok stabil feszültségűek, közepes üzemi feszültséggel rendelkeznek, jól kompatibilisek az elektrolitrendszerekkel, nem-mérgezőek, nincs memóriahatásuk, és nem szennyezik a környezetet. Fajlagos energiájuk elérheti a 100-130 Wh/kg-ot, ami 0,3-5-szöröse az ólom-savas akkumulátorokénak és 1,5-szerese a nikkel-fémhidrid akkumulátorokénak. Számos előnye miatt ideális akkumulátornak tekinthető elektromos járművekhez, szél- és napenergia tárolására, valamint biztonságos tartalék akkumulátorok otthoni használatra.
Outlook más katódanyagokhoz lítium-{0}}ion akkumulátorokhoz
▲ Lítium-vanádium-foszfát katód anyaga -
▲ Lítium-mangán-foszfát katód anyag
▲ Lítium-vas-szilikát katód anyag
▲ Lítium-vas-borát katód anyag
▲Lítium{0}}ban gazdag réteges katódanyagok
A lítium-vasfoszfát (LFP) anyagok megjelenése megteremtette az anyagtudományi alapokat a nagyméretű-lítium-ionos akkumulátorok széles körű alkalmazásához.
Mint ismeretes, a lítium{0}}ion akkumulátorok biztonsága mindig is alapvető és kritikus kérdés volt, amely korlátozza az iparág fejlődését. Még a stabil anyagtulajdonságokkal és kifinomult feldolgozóberendezésekkel rendelkező fejlett országokban sem lehet teljes mértékben garantálni a lítium-ion akkumulátorok biztonságát. Tekintettel a lítium-akkumulátor-feldolgozás jelenlegi viszonylag alacsony szintjére országomban, az LFP jól-alkalmas országom nemzeti viszonyaihoz, jelentősen javítva az akkumulátor biztonságát.