Článek k pochopení lithiumfosfátové baterie

Odhalení tajemství lithiumfosfátových baterií

Co přesně je lithiumfosfátová baterie? Jak název napovídá, je úzce spjata s materiálem lithium-železo-fosfát. Zjednodušeně řečeno, lithiumfosfátová baterie je lithium-iontová baterie, která jako materiál kladné elektrody používá lithiumželezofosfát. Stejně jako stavební kameny je i fosforečnan lithno-železitý v tomto typu baterie důležitým "stavebním kamenem" a hraje klíčovou roli.

Fosforečnan lithnoželezitý je materiál s chemickým vzorcem LiFePO₄, který se skládá z lithia (Li), železa (Fe), fosforu (P) a kyslíku (O). Tyto prvky nepodceňujte. Ve vzájemné kombinaci má fosforečnan lithný a železitý jedinečnou "osobnost". Má olivínovou strukturu, stejně jako stabilní domeček. Tato struktura dává fosforečnanu lithnoželezitému dobrou tepelnou stabilitu. Může zůstat stabilní i v prostředí s vysokou teplotou a jen tak snadno "neztratí svůj temperament". Fosforečnan lithnoželezitý je navíc relativně levný a má poměrně bohaté zdroje, na rozdíl od některých materiálů, které jsou drahé a obtížně dostupné. Zároveň je také velmi šetrný k životnímu prostředí a nezpůsobí příliš velkou zátěž pro životní prostředí. Má mnoho výhod.

Od zrodu po vzestup: historie vývoje lithiumfosfátových baterií

Zrod a vývoj fosforečnanu lithného baterie je cesta plná inovací a výzev. V roce 1997 navrhl tým vedený Goodenoughem na Texaské univerzitě koncept lithiumfosfátových baterií, který byl jako zasetí semínka naděje v oblasti energetiky. V té době vědci zjistili, že lithium-železo-fosfát funguje dobře při nabíjení a vybíjení. Přestože jeho výkon nebyl v té době dokonalý, již tehdy vykazoval velký potenciál a přitahoval pozornost mnoha lidí.

V roce 2004 americké společnosti A123 Company a Shenzhen BAK Battery Co., Ltd. společně vyvinuly první lithium-železo-fosfátovou baterii na světě, dosáhly její industrializace a lithium-fosfátové baterie oficiálně vstoupily na trh. Je to jako když dítě vyroste a začne hrát ve společnosti důležitou roli. Následně se oblasti jejího použití dále rozšiřovaly. V roce 2009 se lithiumfosfátové baterie začaly používat v oblasti skladování energie, hrály významnější roli v rozvoji nové energetiky a poskytovaly nová řešení pro skladování a racionální využívání energie.

V letech 2014 až 2016 Čína intenzivně podporovala rozvoj nových energetických vozidel a lithiumfosfátové baterie přinesly nové příležitosti, ale také problémy. Vzhledem k tomu, že se v zemi zlepšily normy pro posuzování energetické hustoty baterií pro nová energetická vozidla, byl vývoj lithiumfosfátových baterií brzděn kvůli jejich nižší energetické hustotě než u ternárních lithiových baterií. Mnoho souvisejících společností dokonce zkrachovalo a zdá se, že lithiumfosfátové baterie upadly do "studené zimy".

Výzkumníci se však nevzdali a usilovně pracovali na překonání technických potíží. Po roce 2019 společnost CATL uvedla na trh technologii CTP, BYD uvedla na trh lopatkové baterie a Guoxuan High-tech uvedla na trh technologii JTM. Tyto integrované inovace výrobních technologií účinně kompenzovaly nedostatky nízké energetické hustoty lithiumfosfátových baterií. Spolu s každoročním poklesem čínských dotací na nákup nových energetických vozidel zahájily levnější lithiumfosfátové baterie nové "jaro" rozvoje. V květnu 2021 jeho výroba energetických baterií překonala výrobu baterií z ternárních materiálů. Lithiumfosfátové baterie dnes nacházejí široké uplatnění v nových energetických vozidlech, při skladování energie a v dalších oblastech a jejich perspektivy rozvoje jsou skvělé.

Jak to funguje: Jak proudí energie

Když už známe základní složení lithiumfosfátových baterií, jak fungují? Fungování lithiumfosfátových baterií je vlastně procesem "pohybu" iontů lithia tam a zpět mezi kladnou a zápornou elektrodou.

Při nabíjení lithiové ionty jako skupinka pilných mravenečků "vybíhají" z materiálu lithium-železo-fosfátové katody, procházejí "dálnicí" elektrolytu, dostávají se ke grafitové katodě a usazují se ve vrstevnaté struktuře grafitu. V této době baterie ukládá energii, přeměňuje elektrickou energii na chemickou a ukládá ji. Je to, jako když si uložíte kapesné do prasátka a vytáhnete ho, když ho potřebujete.

Při vybíjení je proces opačný. Ionty lithia jsou "deinterkalovány" z grafitové záporné elektrody a poté se po "dálnici" elektrolytu vracejí do kladné elektrody fosforečnanu lithného. Při tomto procesu se chemická energie přeměňuje na elektrickou, která pohání naše zařízení, podobně jako když si z prasátka vybíráme kapesné na nákup věcí.

V tomto procesu nabíjení a vybíjení hrají klíčovou roli také membrána a elektrolyt. Membrána je něco jako "izolační ochrana", která odděluje kladnou a zápornou elektrodu, aby nedocházelo k jejich přímému kontaktu a zkratu, ale umožňuje průchod iontů lithia a zajišťuje tak normální provoz baterie. Elektrolyt je jako "kurýr" zodpovědný za přepravu iontů lithia mezi kladnou a zápornou elektrodou a umožňuje plynulý pohyb iontů lithia mezi kladnou a zápornou elektrodou pro dokončení nabíjení a vybíjení.

Odhalené výhody: Proč debutoval na pozici C?

Lithiumfosfátové baterie mohou vyniknout mezi mnoha lithiovými bateriemi, takže musí mít nějaké "kartáčky". Dále vás podrobně seznámím s jejich výhodami.

Vysoké zabezpečení: uklidňující "bezpečnostní stráž"

Mezi různými výkonnostními charakteristikami baterií je bezpečnost naprosto nejvyšší prioritou. Lithiumfosfátové baterie si v tomto ohledu vedou dobře a lze je označit za "strážce bezpečnosti". Její kladný elektrodový materiál, lithium-železo-fosfát, má super stabilitu PO vazeb v krystalové struktuře, stejně jako pevná městská zeď. I když se setká s "nepřáteli", jako je vysoká teplota a přebíjení, není snadné ho rozložit. Nebude produkovat silné oxidační látky jako některé baterie, což by vedlo k nebezpečí, jako je hoření a výbuch. Objevily se například zprávy, že některá nová energetická vozidla používající jiné typy lithiových baterií jsou při kolizi nebo abnormálním nabíjení náchylná k požáru a výbuchu, zatímco u automobilů vybavených lithiumfosfátovými bateriemi je pravděpodobnost vážných nehod za podobných okolností mnohem nižší. Stejně jako "čepelová baterie" společnosti BYD, která je v podstatě lithiumfosfátovou baterií, prošla přísnými testy, například testy propíchnutí jehlou. Během propíchnutí jehlou baterie nevzplála ani nevybuchla, ale povrchová teplota se mírně zvýšila, což plně dokazuje vysokou bezpečnost lithiumfosfátových baterií.

Dlouhá životnost: dlouhotrvající a odolný běžec na dlouhé vzdálenosti

Důležitým ukazatelem pro měření kvality baterie je její životnost. Zjednodušeně řečeno se jedná o počet kompletních nabíjecích a vybíjecích cyklů, kterými může baterie projít. Lithiumfosfátové baterie jsou jako "běžci na dlouhé tratě" s velmi dlouhou životností cyklu, obvykle více než 2 000krát, u kvalitních baterií dokonce 5 000krát. Pro srovnání, životnost cyklů olověných akumulátorů je obvykle jen asi 300krát a rozdíl je velmi zřejmý. To znamená, že při použití lithiumfosfátových baterií není třeba baterie často vyměňovat, což šetří peníze i starosti. Například v oblasti skladování energie může systém skladování energie využívající lithiumfosfátové baterie fungovat stabilně po mnoho let a provádět velké množství nabíjecích a vybíjecích cyklů, což poskytuje spolehlivé záruky pro skladování a nasazení energie a výrazně snižuje následné náklady na údržbu a výměnu.

Dobrá ochrana životního prostředí: "Zelený posel" pro ochranu životního prostředí

V současné době, kdy se zvyšuje povědomí o životním prostředí, přitahuje velkou pozornost také šetrnost baterií k životnímu prostředí. Lze říci, že lithiumfosfátové baterie jsou "zeleným poslem", který chrání životní prostředí. Jejími hlavními složkami jsou železo a fosfor, které jsou nejen bohaté na zdroje, ale také velmi šetrné k životnímu prostředí. Během výrobního procesu neprodukuje velké množství znečištění těžkými kovy jako některé tradiční baterie. Lithiumfosfátové baterie se navíc poměrně snadno recyklují, což může účinně snížit škodlivost bateriového odpadu pro životní prostředí a je v souladu s koncepcí udržitelného rozvoje. Společnost BYD vyvinula velké úsilí v oblasti recyklace baterií a recyklace použitých lithiumfosfátových baterií. baterie , získávání užitečných materiálů z nich a jejich opětovné využití ve výrobě, což nejen šetří zdroje, ale také chrání životní prostředí.

Rychlé nabíjení: efektivní a pohodlný "expert na rychlé nabíjení"

V dnešní rychlé době je pro každého důležitá také rychlost nabíjení. Lithiumfosfátové baterie si v tomto ohledu vedou dobře a jsou "experty na rychlé nabíjení". Mají vysokou účinnost nabíjení a lze je nabít v krátkém čase. Například některá nová energetická vozidla vybavená lithiumfosfátovými bateriemi mohou při použití zařízení pro rychlé nabíjení nabít energii z nízké úrovně na přibližně 80% přibližně za půl hodiny, což výrazně šetří čas nabíjení. Pro ty, kteří potřebují často cestovat, je to velmi výhodné. Nemusí dlouho čekat na nabití a mohou si efektivněji zorganizovat své cesty.

Stabilní výkon: univerzální nástroj pro různá prostředí

Bez ohledu na teplotu a pracovní podmínky je výkon lithiumfosfátových baterií relativně stabilní, stejně jako "univerzální" baterie s mimořádnou přizpůsobivostí. V prostředí s vysokou teplotou si dokáže udržet nízký vnitřní odpor a vysokou životnost cyklu, "nerozpadne se" v důsledku zvýšení teploty a stále může stabilně vydávat elektrickou energii. V prostředí s nízkou teplotou bude sice jeho výkon do jisté míry ovlivněn, ale ve srovnání s některými jinými typy baterií je již výkon dobrý. Například v chladné zimě baterie některých mobilních telefonů v důsledku nízkých teplot rychle klesne, nebo se dokonce automaticky vypne, ale pravděpodobnost, že se tak stane u zařízení využívajících lithiumfosfátové baterie, bude mnohem menší a stále mohou normálně fungovat a uspokojovat naše potřeby.

Nevýhody: Žádná baterie není dokonalá

Přestože lithiumfosfátové baterie mají mnoho výhod, neexistuje na světě dokonalá baterie a má i některé nedostatky.

Nízká hustota energie: mírně "objemný" nosič energie

V porovnání s ternárními lithiovými bateriemi mají lithiumfosfátové baterie nižší hustotu energie. Nízká hustota energie znamená, že při stejné hmotnosti nebo objemu neukládají tolik elektrické energie. Například energetická hustota ternárních lithiových baterií může dosahovat více než 200Wh/kg, zatímco lithiumfosfátové baterie mají obvykle hustotu kolem 150Wh/kg. Je to jako dva batohy, do jednoho se toho vejde hodně a do druhého méně. Proto mohou mít zařízení využívající lithiumfosfátové baterie kratší dojezd, nebo je k dosažení určitého dojezdu zapotřebí větší velikost a hmotnost baterie, což bude omezeno v některých scénářích použití, které mají přísné požadavky na prostor a hmotnost, například u dronů.

Vysoké náklady: cenové faktory omezující popularizaci

Přestože samotný materiál není drahý a zdrojů je dostatek, celkové výrobní náklady lithiumfosfátových baterií nejsou nízké. Na jedné straně je jejich výrobní proces poměrně složitý a má vysoké nároky na výrobní zařízení a prostředí, což zvyšuje výrobní náklady. Na druhé straně není účinnost výroby lithiumfosfátových baterií dostatečně vysoká a je třeba zlepšit výtěžnost, což ztěžuje snížení konečných nákladů na baterie. Ve srovnání s některými jinými typy baterií není cenová výhoda lithiumfosfátových baterií tak zřejmá, což do jisté míry omezuje jejich použití a popularitu v širším spektru oblastí.

Špatný výkon při nízkých teplotách: nepříjemnost v chladném počasí

Lithiumfosfátové baterie nemají dobré vlastnosti v prostředí s nízkými teplotami, což lze považovat za "malý nedostatek". Při teplotě nižší než 0 ℃ je její výkon výrazně ovlivněn, vnitřní odpor baterie se zvyšuje, což má za následek snížení kapacity baterie a nižší rychlost nabíjení. Při teplotě kolem -20 ℃ může pokles kapacity baterie dosáhnout přibližně 55%. To je jako v zimě, mobilita lidí bude slábnout a baterie bude při nízkých teplotách "méně výkonná". V chladné zimě na severu se dojezd elektromobilů využívajících lithiumfosfátové baterie výrazně zkrátí, což uživatelům způsobí mnoho potíží.

Problém konzistence: nerovnoměrní "členové týmu"

Při výrobě lithiumfosfátových baterií není snadné zajistit, aby výkon každé baterie byl zcela konzistentní. Vlivem faktorů, jako je výrobní proces a suroviny, budou mezi různými bateriemi existovat určité rozdíly, což je problém konzistence. Při použití více baterií v bateriové sadě se tato nekonzistence zvýrazní. Stejně jako v týmu, pokud jsou schopnosti členů nevyrovnané, bude ovlivněna celková efektivita práce. Baterie se špatnou výkonností v bateriové sadě omezí výkonnost celé bateriové sady, což povede ke zkrácení životnosti cyklu bateriové sady a může také ovlivnit stabilitu a spolehlivost zařízení.

Výzkumníci však nezaháleli a usilovně pracovali na překonání těchto problémů. Zdokonalováním materiálových vzorců, optimalizací výrobních procesů a vývojem nových struktur baterií se zlepšila výkonnost lithiumfosfátových baterií a postupně se odstraňují jejich nedostatky.

Široce používané: "neviditelný asistent" v životě

Lithiumfosfátové baterie se díky svým výhodám hojně používají v mnoha oblastech. Jsou jako "neviditelní asistenti" v našem životě a hrají důležitou roli v tichosti.

Odvětví elektrických vozidel: ekologičtější a bezpečnější cestování

V oblasti elektromobilů jsou lithiumfosfátové baterie "hvězdnými produkty". Tesla má mnoho modelů, které používají lithiumfosfátové baterie, a "čepelová baterie" společnosti BYD je také typem lithiumfosfátové baterie. Tato elektrická vozidla vybavená lithiumfosfátovými bateriemi mají zaručenou bezpečnost, dlouhou životnost a relativně nízkou cenu. Například Tesla Model 3 Standard Range Upgrade Edition má po výměně lithiumfosfátové baterie vyšší nákladovou efektivitu, což umožňuje více spotřebitelům využívat pohodlí a ochranu životního prostředí, které přinášejí elektromobily. S technologickým pokrokem se navíc stále zvyšuje energetická hustota lithiumfosfátových baterií a zvyšuje se i dojezdová vzdálenost. Očekává se, že v budoucnu uspokojí cestovní potřeby většího počtu spotřebitelů a zvýší konkurenceschopnost elektrických vozidel na trhu.

Oblast systémů skladování energie: "stabilní správce" energie

V oblasti systémů pro skladování energie mají lithiumfosfátové baterie také dobré výsledky. Jsou jako "stabilní hospodyně", která dokáže uskladnit přebytečnou elektrickou energii a uvolnit ji v případě potřeby, čímž poskytuje záruku stabilních dodávek energie. Ať už se jedná o bezpečné připojení výroby energie z obnovitelných zdrojů, jako je výroba energie z větrných elektráren a fotovoltaických elektráren, nebo o regulaci špiček v síti a distribuované elektrárny, systémy skladování energie z lithiumfosfátových baterií jsou nepostradatelné. V některých odlehlých oblastech lze elektřinu vyrobenou fotovoltaickou výrobou energie ukládat do lithiumfosfátových baterií, aby ji místní obyvatelé mohli využívat v noci nebo v zamračených dnech, a vyřešit tak problém nestabilních dodávek energie. Kromě toho se lithiumfosfátové baterie vyznačují dlouhou životností a vysokou bezpečností. baterie také zvyšují spolehlivost systému skladování energie a jeho dlouhodobou stabilitu.

Elektrické nářadí: výkonný partner pro efektivní práci

V oblasti elektrického nářadí se lithiumfosfátové baterie staly pro mnoho lidí "silným partnerem". U běžného elektrického nářadí, jako jsou elektrické vrtačky a elektrické pily, je rychlost nabíjení po použití lithiumfosfátových baterií vyšší, což nám umožňuje efektivněji dokončit práci. Vysoká bezpečnost lithiumfosfátových baterií navíc snižuje i bezpečnostní rizika při používání elektrického nářadí. Například někteří profesionální stavební dělníci používají elektrické nářadí vybavené lithiumfosfátovými bateriemi, aniž by se obávali, že baterie bude během používání nebezpečná, a mohou pracovat bezpečněji.

Přenosná elektronická zařízení: malé rozměry, velký výkon

V oblasti přenosných elektronických zařízení sice není energetická hustota lithiumfosfátových baterií nejvyšší, ale jejich stabilita a bezpečnost umožňují jejich použití v některých zařízeních, která mají zvláštní požadavky na výkon baterií. Polní detekční přístroje, vojenská komunikační zařízení atd. vyžadují, aby baterie stabilně pracovaly v různých prostředích, a lithiumfosfátové baterie tyto požadavky dobře splňují. Pokud kapesní zařízení GPS při průzkumu přírody používá lithiumfosfátové baterie, může zajistit normální provoz zařízení i v náročných podmínkách, jako jsou vysoké a nízké teploty, a poskytovat průzkumníkům přesné informace o poloze.

Budoucnost je slibná: výhled vývojových trendů

Do budoucna jsou vyhlídky na rozvoj lithiumfosfátových baterií velmi dobré a v mnoha klíčových oblastech se očekávají zásadní pokroky.

Pokud jde o kontrolu nákladů, s vyspělostí technologií a zdokonalováním průmyslového řetězce existuje velký prostor pro snižování nákladů na suroviny a výrobních nákladů. Autoritativní výzkumné instituce předpovídají, že do roku 2025 by měly náklady na lithium-fosfát železa klesnout na 0,4 jüanu/Wh, což je o 60% méně než v roce 2020. Snížení nákladů zvýší cenovou konkurenceschopnost lithiumfosfátových baterií na trhu a dále podpoří jejich popularitu v různých oblastech.

Klíčovým směrem budoucího vývoje lithiumfosfátových baterií je také zvyšování hustoty energie. Výzkumníci aktivně vyvíjejí nové materiály a postupy pro zlepšení energetické hustoty lithiumfosfátových baterií. baterie . Společnosti, jako je CATL, dosáhly v tomto ohledu určitých výsledků a očekává se, že v budoucnu dosáhnou větších průlomů. Očekává se, že v příštích několika letech se může hustota energie lithiumfosfátových baterií zvýšit na více než 200Wh/kg, což účinně vyřeší problém krátkého dojezdu.

Velkou pozornost přitahuje také pokrok v recyklačních technologiích. V současné době se recyklace odpadních lithium-železo-fosfátových baterií stala horkým bodem v průmyslu. S neustálým technologickým pokrokem se účinnost recyklace a míra využití zdrojů výrazně zlepší. V budoucnu se mohou objevit ekologičtější a účinnější recyklační technologie, které umožní dosáhnout recyklace bateriových materiálů a snížit dopad na životní prostředí. Současně může také snížit těžbu surovin a šetřit zdroje.

Pokud jde o rozšíření aplikací, očekává se, že kromě stávajících elektrických vozidel, skladování energie, elektrického nářadí a dalších oblastí budou lithiumfosfátové baterie zářit v dalších nových oblastech. Například v oblasti letectví a kosmonautiky se s rostoucí hustotou energie mohou v budoucnu používat v malých letadlech; v oblasti inteligentních domácností mohou lithiumfosfátové baterie také poskytovat stabilní podporu napájení pro různá inteligentní zařízení, čímž se otevírá širší prostor na trhu.

Shrnutí a interakce

Obecně hrají lithiumfosfátové baterie důležitou roli v elektrických vozidlech, systémech skladování energie, elektrickém nářadí a přenosných elektronických zařízeních díky své vysoké bezpečnosti, dlouhé životnosti, dobré ochraně životního prostředí, rychlému nabíjení a stabilnímu výkonu. Přestože mají nedostatky, jako je nízká hustota energie, vysoká cena, špatný výkon při nízkých teplotách a problémy s konzistencí, tyto problémy se postupně řeší s neustálým technologickým pokrokem a vyhlídky na budoucí rozvoj jsou velmi široké.

Máte-li jakékoli dotazy týkající se lithiumfosfátových baterií nebo vlastní představy o jejich budoucích aplikacích, zanechte prosím zprávu v komentáři a diskutujte. Pojďme odvážně předpovědět, v jakém novém oboru lithium fosfátové baterie bude za pět let široce používán? Těším se, že se všichni podělí o své názory, a budeme spolu komunikovat, abychom prozkoumali další možnosti lithiumfosfátových baterií.