Artykuł wyjaśniający działanie baterii litowo-fosforanowej

Odkrywanie tajemnic baterii litowo-fosforanowych

Czym dokładnie jest bateria litowo-fosforanowa? Jak sama nazwa wskazuje, jest ona ściśle związana z materiałem, jakim jest fosforan litowo-żelazowy. Mówiąc najprościej, bateria litowo-fosforanowa to bateria litowo-jonowa, która wykorzystuje fosforan litowo-żelazowy jako materiał elektrody dodatniej. Podobnie jak klocki konstrukcyjne, w tego typu akumulatorach fosforan litowo-żelazowy jest ważnym "budulcem" i odgrywa kluczową rolę.

Fosforan litowo-żelazowy to materiał o wzorze chemicznym LiFePO₄, który składa się z litu (Li), żelaza (Fe), fosforu (P) i tlenu (O). Nie należy lekceważyć tych pierwiastków. W połączeniu ze sobą, fosforan litowo-żelazowy ma unikalną "osobowość". Ma strukturę oliwinu, tak jak stabilny mały domek. Struktura ta zapewnia fosforanowi litowo-żelazowemu dobrą stabilność termiczną. Może pozostać stabilny w środowiskach o wysokiej temperaturze i nie straci łatwo swojego temperamentu. Co więcej, fosforan litowo-żelazowy jest stosunkowo tani i stosunkowo bogaty w zasoby, w przeciwieństwie do niektórych materiałów, które są drogie i trudne do znalezienia. Jednocześnie jest bardzo przyjazny dla środowiska i nie powoduje zbyt dużego obciążenia dla środowiska. Ma wiele zalet.

Od narodzin do powstania: historia rozwoju baterii litowo-fosforanowych

Narodziny i rozwój fosforanu litu baterie to podróż pełna innowacji i wyzwań. W 1997 roku zespół kierowany przez Goodenougha z Uniwersytetu w Teksasie zaproponował koncepcję baterii litowo-fosforanowych, co było jak zasianie ziarna nadziei w dziedzinie energii. W tym czasie naukowcy odkryli, że fosforan litowo-żelazowy działa dobrze w procesie ładowania i rozładowywania. Chociaż jego wydajność nie była wówczas idealna, już wtedy wykazywał ogromny potencjał i przyciągnął uwagę wielu ludzi.

W 2004 r. amerykańskie firmy A123 Company i Shenzhen BAK Battery Co., Ltd. wspólnie opracowały pierwszą na świecie baterię litowo-żelazowo-fosforanową i osiągnęły industrializację, a baterie litowo-fosforanowe oficjalnie weszły na rynek. To tak, jakby dziecko dorastało i zaczynało odgrywać rolę w społeczeństwie. Następnie, obszary ich zastosowań stale się rozszerzały. W 2009 roku baterie litowo-fosforanowe były wykorzystywane w dziedzinie magazynowania energii, odgrywając ważniejszą rolę w rozwoju nowej energii i dostarczając nowe rozwiązania w zakresie magazynowania i racjonalnego wykorzystania energii.

W latach 2014-2016 Chiny energicznie promowały rozwój nowych pojazdów energetycznych, a akumulatory litowo-fosforanowe otwierały nowe możliwości, ale także stawiały czoła wyzwaniom. Wraz z poprawą krajowych standardów oceny gęstości energii nowych akumulatorów zasilających pojazdy energetyczne, rozwój akumulatorów litowo-fosforanowych został utrudniony ze względu na ich niższą gęstość energii niż trójskładnikowe akumulatory litowe. Wiele powiązanych firm nawet zbankrutowało, a baterie litowo-fosforanowe wydają się popadać w "mroźną zimę".

Jednak naukowcy nie poddali się i ciężko pracowali, aby przezwyciężyć trudności techniczne. Po 2019 roku CATL wprowadził technologię CTP, BYD wprowadził baterie ostrzowe, a Guoxuan High-tech wprowadził technologię JTM. Te zintegrowane innowacje w zakresie technologii produkcji skutecznie zrekompensowały niedociągnięcia związane z niską gęstością energii akumulatorów litowo-fosforanowych. W połączeniu ze spadkiem chińskich dotacji na zakup nowych pojazdów energetycznych z roku na rok, tańsze akumulatory litowo-fosforanowe zapoczątkowały nową "wiosnę" rozwoju. W maju 2021 r. produkcja baterii zasilających przekroczyła produkcję baterii z materiałów trójskładnikowych. Obecnie akumulatory litowo-fosforanowe są szeroko stosowane w nowych pojazdach energetycznych, magazynowaniu energii i innych dziedzinach, a ich perspektywy rozwoju są jasne.

Jak to działa: Jak przepływa energia

Skoro znamy już podstawowy skład akumulatorów litowo-fosforanowych, jak one działają? W rzeczywistości proces działania baterii litowo-fosforanowych polega na "przemieszczaniu się" jonów litu między elektrodami dodatnimi i ujemnymi.

Podczas ładowania jony litu są jak grupa pracowitych małych mrówek, "wybiegających" z materiału katody fosforanu litowo-żelazowego, przechodzących przez "autostradę" elektrolitu i docierających do katody grafitowej, a następnie osadzających się w warstwowej strukturze grafitu. W tym czasie bateria magazynuje energię, przekształcając energię elektryczną w energię chemiczną i przechowując ją. To tak, jakbyś wkładał swoje kieszonkowe do skarbonki i wyjmował je, gdy ich potrzebujesz.

Podczas rozładowywania proces jest odwrotny. Jony litu są "deinterkalowane" z grafitowej elektrody ujemnej, a następnie wracają do dodatniej elektrody z fosforanu litowo-żelazowego wzdłuż "autostrady" elektrolitu. W tym procesie energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną do zasilania naszych urządzeń, podobnie jak wyciąganie kieszonkowego ze skarbonki, aby kupić różne rzeczy.

W procesie ładowania i rozładowywania kluczową rolę odgrywają również membrana i elektrolit. Membrana jest jak "osłona izolacyjna", która oddziela elektrody dodatnie i ujemne, aby zapobiec ich bezpośredniemu kontaktowi i zwarciu, ale pozwala na przenikanie jonów litu w celu zapewnienia normalnej pracy akumulatora. Elektrolit jest jak "kurier" odpowiedzialny za transport jonów litu między elektrodami dodatnimi i ujemnymi, umożliwiając płynne przemieszczanie się jonów litu między elektrodami dodatnimi i ujemnymi w celu zakończenia ładowania i rozładowywania.

Zalety ujawnione: Dlaczego zadebiutował na pozycji C?

Baterie litowo-fosforanowe mogą wyróżniać się spośród wielu baterii litowych, więc muszą mieć pewne "szczotki". Następnie opowiem szczegółowo o ich zaletach.

Wysoki poziom bezpieczeństwa: uspokajający "strażnik bezpieczeństwa"

Wśród różnych cech wydajności akumulatorów, bezpieczeństwo jest absolutnie najwyższym priorytetem. Akumulatory litowo-fosforanowe dobrze sprawdzają się pod tym względem i można je nazwać "strażnikami bezpieczeństwa". Materiał elektrody dodatniej, fosforan litowo-żelazowy, ma super stabilność wiązań PO w strukturze krystalicznej, podobnie jak solidny mur miejski. Nawet jeśli napotka "wrogów", takich jak wysoka temperatura i przeładowanie, nie jest łatwo go rozłożyć. Nie wytwarza silnych substancji utleniających, jak niektóre baterie, co prowadzi do niebezpieczeństw, takich jak spalanie i eksplozja. Na przykład, pojawiły się doniesienia, że niektóre nowe pojazdy energetyczne wykorzystujące inne rodzaje baterii litowych są podatne na pożary i eksplozje w przypadku kolizji lub nieprawidłowego ładowania, podczas gdy samochody wyposażone w baterie litowo-fosforanowe mają znacznie mniejsze prawdopodobieństwo poważnych wypadków w podobnych okolicznościach. Podobnie jak "bateria ostrzowa" BYD, która jest zasadniczo baterią litowo-fosforanową, przeszła rygorystyczne testy, takie jak testy nakłuwania igłą. Podczas procesu nakłuwania igłą bateria nie zapaliła się ani nie wybuchła, ale temperatura powierzchni nieznacznie wzrosła, co w pełni dowodzi wysokiego bezpieczeństwa baterii litowo-fosforanowych.

Długi cykl życia: długotrwały i wytrzymały bieg długodystansowy

Żywotność cykliczna jest ważnym wskaźnikiem służącym do pomiaru jakości akumulatora. Mówiąc najprościej, odnosi się do liczby pełnych cykli ładowania i rozładowania, przez które może przejść bateria. Baterie litowo-fosforanowe są jak "biegacze długodystansowi" o bardzo długiej żywotności cyklicznej, zwykle ponad 2000 razy, a nawet 5000 razy w przypadku baterii dobrej jakości. Dla porównania, żywotność akumulatorów kwasowo-ołowiowych wynosi zwykle tylko około 300 razy, a różnica jest bardzo widoczna. Oznacza to, że w przypadku korzystania z baterii litowo-fosforanowych nie ma potrzeby częstej wymiany baterii, co pozwala zaoszczędzić pieniądze i zmartwienia. Na przykład w dziedzinie magazynowania energii, system magazynowania energii wykorzystujący baterie litowo-fosforanowe może działać stabilnie przez wiele lat i wykonywać dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania, zapewniając niezawodne gwarancje magazynowania i wdrażania energii oraz znacznie zmniejszając późniejsze koszty konserwacji i wymiany.

Dobra ochrona środowiska: "Green Messenger" w celu ochrony środowiska

Obecnie, wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej, przyjazność dla środowiska akumulatorów również przyciąga wiele uwagi. Można powiedzieć, że baterie litowo-fosforanowe są "zielonym posłańcem", który chroni środowisko. Ich głównymi składnikami są żelazo i fosfor, które są nie tylko bogate w zasoby, ale także bardzo przyjazne dla środowiska. Podczas procesu produkcji nie wytwarza dużej ilości zanieczyszczeń metalami ciężkimi, jak niektóre tradycyjne baterie. Co więcej, baterie litowo-fosforanowe są stosunkowo łatwe w recyklingu, co może skutecznie zmniejszyć szkodliwość odpadów akumulatorowych dla środowiska i jest zgodne z koncepcją zrównoważonego rozwoju. Firma BYD poczyniła wiele wysiłków w zakresie recyklingu baterii, recyklingu zużytych baterii litowo-fosforanowych. baterie , wydobywając z nich użyteczne materiały i ponownie wprowadzając je do produkcji, co nie tylko oszczędza zasoby, ale także chroni środowisko.

Szybkie ładowanie: wydajny i wygodny "ekspert od szybkiego ładowania"

W erze szybkiego tempa szybkość ładowania jest również przedmiotem troski każdego. Akumulatory litowo-fosforanowe dobrze sprawdzają się pod tym względem i są "ekspertami od szybkiego ładowania". Charakteryzują się wysoką wydajnością ładowania i można je naładować w krótkim czasie. Na przykład niektóre nowe pojazdy energetyczne wyposażone w akumulatory litowo-fosforanowe mogą ładować energię z niskiego poziomu do około 80% w około pół godziny przy użyciu urządzeń do szybkiego ładowania, co znacznie skraca czas ładowania. Dla tych, którzy muszą często podróżować, jest to bardzo wygodne. Nie muszą długo czekać na ładowanie i mogą efektywniej organizować swoje podróże.

Stabilna wydajność: wszechstronne narzędzie do pracy w różnych środowiskach

Niezależnie od temperatury i warunków pracy, wydajność akumulatorów litowo-fosforanowych jest stosunkowo stabilna, podobnie jak w przypadku "wszechstronnych" akumulatorów o doskonałych właściwościach adaptacyjnych. W środowisku o wysokiej temperaturze może utrzymać niską rezystancję wewnętrzną i wysoką żywotność cyklu, nie "zepsuje się" z powodu wzrostu temperatury i nadal może stabilnie wytwarzać energię elektryczną. W środowisku o niskiej temperaturze, mimo że jego wydajność będzie w pewnym stopniu ograniczona, jest to już dobra wydajność w porównaniu z niektórymi innymi typami akumulatorów. Na przykład, w mroźną zimę, bateria niektórych telefonów komórkowych gwałtownie spadnie z powodu niskich temperatur, a nawet wyłączy się automatycznie, ale prawdopodobieństwo wystąpienia takiej sytuacji w przypadku urządzeń wykorzystujących baterie litowo-fosforanowe będzie znacznie mniejsze i nadal będą one mogły działać normalnie i spełniać nasze potrzeby.

Wady: Żadna bateria nie jest idealna

Chociaż baterie litowo-fosforanowe mają wiele zalet, nie ma na świecie idealnej baterii, a także mają pewne wady.

Niska gęstość energii: nieco "nieporęczny" nośnik energii

W porównaniu z trójskładnikowymi bateriami litowymi, baterie litowo-fosforanowe mają niższą gęstość energii. Niska gęstość energii oznacza, że nie przechowują one tyle energii elektrycznej przy tej samej wadze lub objętości. Na przykład gęstość energii trójskładnikowych baterii litowych może osiągnąć ponad 200 Wh/kg, podczas gdy baterie litowo-fosforanowe mają zazwyczaj około 150 Wh/kg. To jak dwa plecaki, jeden może pomieścić dużo rzeczy, a drugi mniej. Dlatego urządzenia wykorzystujące baterie litowo-fosforanowe mogą mieć krótszy zasięg lub aby osiągnąć określony zasięg, wymagany jest większy rozmiar i waga baterii, co będzie ograniczone w niektórych scenariuszach zastosowań, które mają ścisłe wymagania dotyczące przestrzeni i wagi, takich jak drony.

Wysoki koszt: czynniki cenowe ograniczające popularyzację

Chociaż sam materiał nie jest drogi, a zasoby są obfite, ogólny koszt produkcji baterii litowo-fosforanowych nie jest niski. Z jednej strony, proces produkcji jest stosunkowo skomplikowany i ma wysokie wymagania dotyczące sprzętu produkcyjnego i środowiska, co zwiększa koszty produkcji. Z drugiej strony, wydajność produkcji baterii litowo-fosforanowych nie jest wystarczająco wysoka, a wskaźnik wydajności wymaga poprawy, co utrudni obniżenie ostatecznego kosztu baterii. W porównaniu z niektórymi innymi typami akumulatorów, przewaga cenowa akumulatorów litowo-fosforanowych nie jest tak oczywista, co w pewnym stopniu ogranicza ich zastosowanie i popularność w szerszym zakresie dziedzin.

Słaba wydajność w niskich temperaturach: uciążliwość w niskich temperaturach

Akumulatory litowo-fosforanowe nie działają dobrze w niskich temperaturach, co można uznać za "małą wadę". Gdy temperatura spadnie poniżej 0 ℃, jego wydajność ulegnie znacznemu pogorszeniu, wewnętrzna rezystancja akumulatora wzrośnie, co spowoduje spadek pojemności akumulatora i wolniejszą prędkość ładowania. Przy około -20 ℃ spadek pojemności baterii może osiągnąć około 55%. To tak jak zimą, mobilność ludzi słabnie, a bateria będzie "mniej wydajna" w niskich temperaturach. W mroźną zimę na północy zasięg pojazdów elektrycznych wykorzystujących akumulatory litowo-fosforanowe zostanie znacznie skrócony, powodując wiele kłopotów dla użytkowników.

Problem spójności: nierówni "członkowie zespołu"

Podczas produkcji baterii litowo-fosforanowych nie jest łatwo zapewnić, że wydajność każdej baterii jest całkowicie spójna. Ze względu na wpływ takich czynników, jak proces produkcji i surowce, pomiędzy poszczególnymi akumulatorami będą występować pewne różnice, co stanowi problem spójności. W przypadku korzystania z wielu akumulatorów w jednym zestawie, niespójność ta będzie widoczna. Podobnie jak w zespole, jeśli umiejętności członków są nierówne, wpłynie to na ogólną wydajność pracy. Baterie o słabej wydajności w zestawie baterii ograniczą wydajność całego zestawu baterii, co spowoduje skrócenie cyklu życia zestawu baterii, a także może wpłynąć na stabilność i niezawodność sprzętu.

Naukowcy nie próżnowali jednak i ciężko pracowali nad przezwyciężeniem tych problemów. Ulepszając formuły materiałów, optymalizując procesy produkcyjne i opracowując nowe struktury baterii, poprawiono wydajność baterii litowo-fosforanowych i stopniowo wyeliminowano ich wady.

Szeroko stosowany: "niewidzialny asystent" w życiu

Baterie litowo-fosforanowe są szeroko stosowane w wielu dziedzinach ze względu na swoje zalety. Są jak "niewidzialni asystenci" w naszym życiu, odgrywając po cichu ważną rolę.

Sektor pojazdów elektrycznych: bardziej ekologiczne i bezpieczniejsze podróże

W dziedzinie pojazdów elektrycznych akumulatory litowo-fosforanowe są "produktami gwiazdorskimi". Tesla ma wiele modeli wykorzystujących baterie litowo-fosforanowe, a "bateria ostrzowa" BYD jest również rodzajem baterii litowo-fosforanowej. Te pojazdy elektryczne wyposażone w akumulatory litowo-fosforanowe gwarantują bezpieczeństwo, długą żywotność i stosunkowo niskie koszty. Na przykład Tesla Model 3 Standard Range Upgrade Edition, po wymianie akumulatora litowo-fosforanowego, ma wyższą opłacalność, pozwalając większej liczbie konsumentów cieszyć się wygodą i ochroną środowiska, jakie zapewniają pojazdy elektryczne. Co więcej, wraz z postępem technologicznym, gęstość energii akumulatorów litowo-fosforanowych stale rośnie, a zasięg jazdy również się zwiększa. Oczekuje się, że w przyszłości zaspokoi to potrzeby podróżnicze większej liczby konsumentów i sprawi, że pojazdy elektryczne będą bardziej konkurencyjne na rynku.

System magazynowania energii: "stabilny zarządca" energii

W dziedzinie systemów magazynowania energii akumulatory litowo-fosforanowe również dobrze się sprawdzają. Są jak "stabilna gosposia", która może przechowywać nadmiar energii elektrycznej i uwalniać ją w razie potrzeby, zapewniając gwarancję stabilnych dostaw energii. Niezależnie od tego, czy chodzi o bezpieczne podłączenie do sieci wytwarzania energii odnawialnej, takiej jak wytwarzanie energii wiatrowej i fotowoltaicznej, czy też regulację szczytów sieci i rozproszonych elektrowni, systemy magazynowania energii z akumulatorami litowo-fosforanowymi są niezbędne. W niektórych odległych obszarach, energia elektryczna generowana przez fotowoltaikę może być przechowywana w bateriach litowo-fosforanowych dla lokalnych mieszkańców do wykorzystania w nocy lub w pochmurne dni, rozwiązując problem niestabilnych dostaw energii. Co więcej, długa żywotność i wysokie bezpieczeństwo baterii litowo-fosforanowych baterie Sprawiają również, że system magazynowania energii jest bardziej niezawodny i może działać stabilnie przez długi czas.

Elektronarzędzia: potężny partner do wydajnej pracy

W dziedzinie elektronarzędzi akumulatory litowo-fosforanowe stały się "potężnym partnerem" dla wielu osób. W przypadku popularnych elektronarzędzi, takich jak wiertarki elektryczne i piły elektryczne, szybkość ładowania jest szybsza po zastosowaniu akumulatorów litowo-fosforanowych, co pozwala nam wydajniej wykonywać pracę. Co więcej, wysokie bezpieczeństwo akumulatorów litowo-fosforanowych zmniejsza również zagrożenia dla bezpieczeństwa podczas korzystania z elektronarzędzi. Na przykład, niektórzy profesjonalni pracownicy budowlani używają elektronarzędzi wyposażonych w akumulatory litowo-fosforanowe bez obawy, że akumulator może być niebezpieczny podczas użytkowania i mogą pracować bezpieczniej.

Przenośne urządzenia elektroniczne: mały rozmiar, duża moc

W dziedzinie przenośnych urządzeń elektronicznych, chociaż gęstość energii baterii litowo-fosforanowych nie jest najwyższa, ich stabilność i bezpieczeństwo pozwalają na stosowanie ich w niektórych urządzeniach, które mają specjalne wymagania dotyczące wydajności baterii. Przyrządy do wykrywania w terenie, wojskowy sprzęt komunikacyjny itp. wymagają baterii do stabilnej pracy w różnych środowiskach, a baterie litowo-fosforanowe dobrze spełniają te wymagania. Podczas eksploracji dzikiej przyrody, jeśli ręczne urządzenie GPS wykorzystuje baterie litowo-fosforanowe, może zapewnić normalne działanie sprzętu nawet w trudnych warunkach, takich jak wysokie i niskie temperatury, i zapewnić dokładne informacje o położeniu dla odkrywców.

Przyszłość jest obiecująca: perspektywy trendów rozwojowych

Patrząc w przyszłość, perspektywy rozwoju akumulatorów litowo-fosforanowych są jasne, a w wielu kluczowych obszarach spodziewane są znaczące przełomy.

Jeśli chodzi o kontrolę kosztów, wraz z dojrzałością technologii i poprawą łańcucha przemysłowego, istnieje wiele możliwości obniżenia kosztów surowców i kosztów produkcji. Autorytatywne instytucje badawcze przewidują, że do 2025 roku koszt fosforanu litowo-żelazowego spadnie do 0,4 juana/Wh, co oznacza spadek o 60% w porównaniu z 2020 rokiem. Obniżenie kosztów sprawi, że baterie litowo-fosforanowe będą bardziej konkurencyjne cenowo na rynku i będą dalej promować ich popularność w różnych dziedzinach.

Poprawa gęstości energii jest również kluczowym kierunkiem przyszłego rozwoju akumulatorów litowo-fosforanowych. Naukowcy aktywnie opracowują nowe materiały i procesy w celu poprawy gęstości energii fosforanu litu baterie . Firmy takie jak CATL osiągnęły pewne wyniki w tym zakresie i oczekuje się, że w przyszłości dokonają większych przełomów. Oczekuje się, że w ciągu najbliższych kilku lat gęstość energii akumulatorów litowo-fosforanowych może wzrosnąć do ponad 200 Wh/kg, skutecznie rozwiązując problem krótkiego zasięgu jazdy.

Postęp technologii recyklingu również przyciągnął wiele uwagi. Obecnie recykling zużytych baterii litowo-żelazowo-fosforanowych stał się gorącym punktem w branży. Wraz z ciągłym rozwojem technologii, wydajność recyklingu i stopień wykorzystania zasobów ulegną znacznej poprawie. W przyszłości mogą pojawić się bardziej przyjazne dla środowiska i wydajne technologie recyklingu, aby osiągnąć recykling materiałów akumulatorowych i zmniejszyć wpływ na środowisko. Jednocześnie może to również zmniejszyć wydobycie surowców i oszczędzać zasoby.

Jeśli chodzi o ekspansję zastosowań, oprócz istniejących pojazdów elektrycznych, magazynowania energii, elektronarzędzi i innych dziedzin, oczekuje się, że akumulatory litowo-fosforanowe zabłysną w nowych dziedzinach. Na przykład w branży lotniczej, wraz ze wzrostem gęstości energii, mogą być w przyszłości stosowane w małych samolotach; w dziedzinie inteligentnych domów baterie litowo-fosforanowe mogą również zapewnić stabilne zasilanie dla różnych inteligentnych urządzeń, otwierając szerszą przestrzeń rynkową.

Podsumowanie i interakcja

Ogólnie rzecz biorąc, akumulatory litowo-fosforanowe odgrywają ważną rolę w pojazdach elektrycznych, systemach magazynowania energii, elektronarzędziach i przenośnych urządzeniach elektronicznych ze względu na ich wysokie bezpieczeństwo, długi cykl życia, dobrą ochronę środowiska, szybkie ładowanie i stabilną wydajność. Choć akumulatory litowo-fosforanowe mają pewne wady, takie jak niska gęstość energii, wysokie koszty, słaba wydajność w niskich temperaturach i problemy z konsystencją, problemy te są stopniowo rozwiązywane wraz z ciągłym rozwojem technologii, a przyszłe perspektywy rozwoju są bardzo szerokie.

Jeśli masz jakieś pytania dotyczące baterii litowo-fosforanowych lub własne pomysły dotyczące przyszłych scenariuszy ich zastosowania, zostaw wiadomość w obszarze komentarzy, aby omówić. Śmiało przewidujmy, w jakiej nowej dziedzinie fosforan litu baterie będą powszechnie stosowane w ciągu pięciu lat? Z niecierpliwością czekam, aż wszyscy podzielą się swoimi poglądami i będziemy wspólnie komunikować się, aby zbadać więcej możliwości akumulatorów litowo-fosforanowych.