Članek za razumevanje litijeve fosfatne baterije

Razkritje skrivnosti litijevih fosfatnih baterij

Kaj točno je litijeva fosfatna baterija? Kot pove že ime, je tesno povezana z litij-železovim fosfatom. Preprosto povedano, litij-fosfatna baterija je litij-ionska baterija, ki kot material pozitivne elektrode uporablja litijev železov fosfat. Tako kot gradniki je tudi litijev železov fosfat v tej vrsti baterije pomemben "gradnik" in ima ključno vlogo.

Litij-železov fosfat je snov s kemijsko formulo LiFePO₄, ki je sestavljena iz litija (Li), železa (Fe), fosforja (P) in kisika (O). Ne podcenjujte teh elementov. Ko so združeni skupaj, ima litijev železov fosfat edinstveno "osebnost". Ima olivinsko strukturo, tako kot stabilna hišica. Ta struktura daje litijevemu železovemu fosfatu dobro toplotno stabilnost. Stabilen je lahko v okoljih z visokimi temperaturami in ne bo zlahka "izgubil svojega temperamenta". Poleg tega je litij-železov fosfat razmeroma poceni in ima razmeroma veliko virov, za razliko od nekaterih materialov, ki so dragi in jih je težko najti. Hkrati je tudi zelo prijazen do okolja in ga ne obremenjuje preveč. Ima številne prednosti.

Od rojstva do vzpona: zgodovina razvoja litijevih fosfatnih baterij

Rojstvo in razvoj litijevega fosfata baterije je pot, polna inovacij in izzivov. Leta 1997 je ekipa, ki jo je vodil Goodenough z Univerze v Teksasu, predlagala koncept litijevih fosfatnih baterij, kar je bilo kot seme upanja na področju energije. Takrat so raziskovalci ugotovili, da se litijev železov fosfat dobro obnese pri polnjenju in praznjenju. Čeprav njegova zmogljivost takrat še ni bila popolna, je že pokazal velik potencial in pritegnil pozornost številnih ljudi.

Leta 2004 sta ameriško podjetje A123 Company in družba Shenzhen BAK Battery Co., Ltd. skupaj razvila prvo litij-železo-fosfatno električno baterijo na svetu, jo industrializirala in litij-fosfatne baterije so uradno vstopile na trg. To je kot odraščanje otroka, ki začne igrati pomembno vlogo v družbi. Pozneje so se področja uporabe še naprej širila. Leta 2009 so se litijeve fosfatne baterije začele uporabljati na področju shranjevanja energije, pri čemer so imele pomembnejšo vlogo pri razvoju nove energije ter zagotavljale nove rešitve za shranjevanje in racionalno rabo energije.

Od leta 2014 do 2016 je Kitajska močno spodbujala razvoj vozil na novo energijo, litij-fosfatne baterije pa so prinesle nove priložnosti, vendar so se soočale tudi z izzivi. Ker so se v državi izboljšali standardi ocenjevanja energijske gostote baterij za pogon novih energetskih vozil, je bil razvoj litijevo-fosfatnih baterij oviran zaradi njihove nižje energijske gostote od ternarnih litijevih baterij. Številna povezana podjetja so celo propadla, zato se zdi, da so litijeve fosfatne baterije doživele "hladno zimo".

Vendar pa raziskovalci niso obupali in so si močno prizadevali za premagovanje tehničnih težav. Po letu 2019 je CATL uvedel tehnologijo CTP, BYD je uvedel baterije blade, Guoxuan High-tech pa tehnologijo JTM. Te inovacije integrirane proizvodne tehnologije so učinkovito nadomestile pomanjkljivosti nizke energijske gostote litijevih fosfatnih baterij. Skupaj z vsakoletnim zmanjševanjem kitajskih subvencij za nakup novih energetskih vozil so cenejše litij-fosfatne baterije začele novo "pomlad" razvoja. Maja 2021 je njegova proizvodnja baterij za električno energijo presegla proizvodnjo baterij iz ternarnih materialov. Danes se litij-fosfatne baterije pogosto uporabljajo v novih energetskih vozilih, za shranjevanje energije in na drugih področjih, njihovi razvojni obeti pa so jasni.

Kako deluje: Kako teče energija

Zdaj, ko poznamo osnovno sestavo litijevih fosfatnih baterij, kako delujejo? Delovanje litijevo-fosfatnih baterij poteka tako, da se litijevi ioni premikajo sem in tja med pozitivno in negativno elektrodo.

Med polnjenjem so litijevi ioni kot skupina marljivih mravljic, ki "tečejo" iz katodnega materiala litijevega železovega fosfata, gredo skozi "avtocesto" elektrolita, dosežejo grafitno katodo in se vgradijo v večplastno strukturo grafita. V tem času baterija shranjuje energijo, pri čemer električno energijo pretvarja v kemično in jo shranjuje. To je tako, kot če bi žepnino položili v banjico in jo vzeli, ko jo potrebujete.

Pri praznjenju je postopek obraten. Litijevi ioni se "deinterkalirajo" iz grafitne negativne elektrode in se nato po "avtocesti" elektrolita vrnejo na litij-železovo-fosfatno pozitivno elektrodo. Pri tem se kemična energija pretvori v električno, ki napaja naše naprave, podobno kot če bi vzeli žepnino iz blagajne za nakup stvari.

Pri tem procesu polnjenja in praznjenja imata ključno vlogo tudi membrana in elektrolit. Diafragma je kot "izolacijska zaščita", ki ločuje pozitivno in negativno elektrodo in preprečuje njun neposreden stik in kratek stik, vendar omogoča prehod litijevih ionov, ki zagotavljajo normalno delovanje baterije. Elektrolit je kot "kurir", odgovoren za prenos litijevih ionov med pozitivno in negativno elektrodo, kar omogoča nemoten prehod litijevih ionov med pozitivno in negativno elektrodo za dokončanje polnjenja in praznjenja.

Razkrite prednosti: Zakaj je debitiral v položaju C?

Litij-fosfatne baterije lahko izstopajo med številnimi litijevimi baterijami, zato morajo imeti nekaj "ščetk". V nadaljevanju vam bom podrobno predstavil njihove prednosti.

Visoka varnost: pomirjujoča "varnostna zaščita"

Med različnimi zmogljivostnimi značilnostmi baterij je varnost absolutno najpomembnejša. Litijevo-fosfatne baterije se v tem pogledu dobro obnesejo in jih lahko imenujemo "varnostniki". Njen material za pozitivno elektrodo, litijev železov fosfat, ima super stabilnost PO vezi v kristalni strukturi, tako kot trdno mestno obzidje. Tudi če naleti na "sovražnike", kot sta visoka temperatura in prekomerno polnjenje, ga ni lahko razgraditi. Ne bo proizvajala močnih oksidacijskih snovi kot nekatere baterije, kar bi povzročilo nevarnosti, kot sta izgorevanje in eksplozija. Pojavila so se na primer poročila, da so nekatera vozila na novo energijo, ki uporabljajo druge vrste litijevih baterij, nagnjena k požaru in eksploziji ob trčenju ali nenormalnem polnjenju, medtem ko je pri avtomobilih, opremljenih z litijevimi fosfatnimi baterijami, verjetnost resnih nesreč v podobnih okoliščinah veliko manjša. Tako kot BYD-ova "baterija z rezilom", ki je v bistvu litij-fosfatna baterija, je prestala stroge preskuse, kot so preskusi prebadanja z iglo. Med postopkom prebadanja z iglo se baterija ni vžgala ali eksplodirala, vendar se je površinska temperatura rahlo povečala, kar v celoti dokazuje visoko varnost litij-fosfatnih baterij.

Dolga življenjska doba: dolgotrajen in vzdržljiv tekač na dolge proge

Življenjska doba je pomemben kazalnik za merjenje kakovosti baterije. Preprosto povedano, pomeni, koliko ciklov polnjenja in praznjenja lahko opravi baterija. Litij-fosfatne baterije so kot "tekači na dolge proge" z zelo dolgo življenjsko dobo ciklov, običajno več kot 2000-krat, pri kakovostnih pa celo 5000-krat. Za primerjavo, življenjska doba ciklov svinčevih akumulatorjev je običajno le približno 300-kratna, razlika pa je zelo očitna. To pomeni, da pri uporabi litijevo-fosfatnih baterij ni treba pogosto menjati baterij, kar prihrani denar in skrbi. Na področju shranjevanja energije lahko na primer sistem za shranjevanje energije, ki uporablja litijeve fosfatne baterije, stabilno deluje več let in izvede veliko število ciklov polnjenja in praznjenja, kar zagotavlja zanesljiva jamstva za shranjevanje in uporabo energije ter močno zmanjša poznejše stroške vzdrževanja in zamenjave.

Dobra zaščita okolja: "Zeleni glasnik" za zaščito okolja

Danes, ko je okoljska ozaveščenost vse večja, je veliko pozornosti deležna tudi okolju prijaznost baterij. Za litijeve fosfatne baterije lahko rečemo, da so "zeleni glasnik", ki varuje okolje. Njeni glavni sestavini sta železo in fosfor, ki sta ne le bogata z viri, temveč tudi zelo prijazna do okolja. Med proizvodnim procesom ne proizvaja velike količine onesnaženja s težkimi kovinami kot nekatere tradicionalne baterije. Poleg tega je litijeve fosfatne baterije razmeroma enostavno reciklirati, kar lahko učinkovito zmanjša škodo, ki jo odpadne baterije povzročajo okolju, in je v skladu s konceptom trajnostnega razvoja. BYD si je veliko prizadeval za recikliranje baterij, recikliranje uporabljenih litij-fosfatnih baterij baterije iz njih pridobivajo uporabne materiale in jih ponovno uporabljajo v proizvodnji, s čimer ne varčujejo le z viri, temveč tudi varujejo okolje.

Hitro polnjenje: učinkovit in priročen "strokovnjak za hitro polnjenje"

V tej hitri dobi je hitrost polnjenja prav tako pomembna za vse. Litij-fosfatne baterije se v tem pogledu dobro obnesejo in so "strokovnjaki za hitro polnjenje". Imajo visoko učinkovitost polnjenja in jih je mogoče napolniti v kratkem času. Na primer, nekatera nova energetska vozila, opremljena z litijevo-fosfatnimi baterijami, lahko ob uporabi opreme za hitro polnjenje napolnite z nizke ravni na približno 80% v približno pol ure, kar močno prihrani čas polnjenja. Za tiste, ki morajo pogosto potovati, je to zelo priročno. Ni jim treba dolgo čakati na polnjenje in lahko učinkoviteje organizirajo svoja potovanja.

Stabilno delovanje: vsestransko orodje za različna okolja

Ne glede na temperaturo in delovne pogoje je zmogljivost litijevo-fosfatnih baterij razmeroma stabilna, tako kot "vsestranska" baterija z izjemno prilagodljivostjo. V okolju z visoko temperaturo lahko ohranja nizko notranjo upornost in visoko življenjsko dobo cikla ter se zaradi povišanja temperature ne "pokvari" in še vedno lahko stabilno oddaja električno energijo. V okolju z nizko temperaturo je njegova zmogljivost sicer do določene mere prizadeta, vendar je v primerjavi z nekaterimi drugimi vrstami baterij že tako ali tako dobra. V mrzli zimi bo na primer baterija nekaterih mobilnih telefonov zaradi nizkih temperatur hitro padla ali se celo samodejno izklopila, vendar bo verjetnost, da se to zgodi napravam z litijevimi fosfatnimi baterijami, veliko manjša in bodo še vedno lahko normalno delovale ter izpolnjevale naše potrebe.

Slabosti: Nobena baterija ni popolna

Čeprav imajo litij-fosfatne baterije številne prednosti, na svetu ni popolne baterije, ima pa tudi nekaj pomanjkljivosti.

Nizka gostota energije: nekoliko "okoren" nosilec energije

V primerjavi s ternarnimi litijevimi baterijami imajo litijeve fosfatne baterije manjšo energijsko gostoto. Nizka energijska gostota pomeni, da pri enaki teži ali prostornini ne shranijo toliko električne energije. Energijska gostota ternarnih litijevih baterij lahko na primer doseže več kot 200Wh/kg, medtem ko je energijska gostota litijevih fosfatnih baterij običajno okoli 150Wh/kg. To je kot dva nahrbtnika, v enega lahko spravite veliko stvari, v drugega pa manj. Zato imajo lahko naprave, ki uporabljajo litij-fosfatne baterije, krajši doseg ali pa sta za doseganje določenega dosega potrebna večja velikost in teža baterije, kar bo omejeno v nekaterih scenarijih uporabe, ki imajo stroge zahteve glede prostora in teže, kot so brezpilotna letala.

Visoki stroški: cenovni dejavniki, ki omejujejo popularizacijo

Čeprav sam material ni drag in je virov veliko, skupni stroški proizvodnje litijevih fosfatnih baterij niso nizki. Po eni strani je proizvodni postopek razmeroma zapleten in ima visoke zahteve glede proizvodne opreme in okolja, kar povečuje proizvodne stroške. Po drugi strani pa učinkovitost proizvodnje litij-fosfatnih baterij ni dovolj visoka in stopnjo donosa je treba izboljšati, kar otežuje zmanjšanje končnih stroškov baterije. V primerjavi z nekaterimi drugimi vrstami baterij cenovna prednost litijevih fosfatnih baterij ni tako očitna, kar do neke mere omejuje njihovo uporabo in priljubljenost na več področjih.

Slabo delovanje pri nizkih temperaturah: moteča težava v hladnem vremenu

Litij-fosfatne baterije se ne obnesejo dobro v okoljih z nizkimi temperaturami, kar lahko označimo kot "majhno pomanjkljivost". Ko je temperatura pod 0 ℃, to bistveno vpliva na njeno delovanje, poveča se notranji upor baterije, kar povzroči zmanjšanje zmogljivosti baterije in počasnejše polnjenje. Pri približno -20 ℃ lahko upad zmogljivosti baterije doseže približno 55%. To je kot pozimi, mobilnost ljudi bo oslabljena, baterija pa bo pri nizkih temperaturah "manj zmogljiva". V mrzli zimi na severu se bo doseg električnih vozil, ki uporabljajo litijeve fosfatne baterije, močno skrajšal, kar bo uporabnikom povzročilo veliko težav.

Problem doslednosti: neenotni "člani ekipe"

Pri proizvodnji litijevo-fosfatnih baterij ni lahko zagotoviti, da je zmogljivost vsake baterije popolnoma enaka. Zaradi vpliva dejavnikov, kot so proizvodni proces in surovine, se med različnimi baterijami pojavijo določene razlike, kar je problem konsistentnosti. Kadar se v baterijskem paketu uporablja več baterij, se ta nekonsistentnost pokaže. Podobno kot v ekipi, če so sposobnosti članov neenotne, bo to vplivalo na splošno učinkovitost dela. Baterije s slabo zmogljivostjo v baterijskem paketu bodo omejile zmogljivost celotnega baterijskega paketa, kar bo povzročilo skrajšanje življenjske dobe baterijskega paketa, lahko pa bo vplivalo tudi na stabilnost in zanesljivost opreme.

Vendar pa raziskovalci niso mirovali in so si močno prizadevali za odpravo teh težav. Z izboljšanjem formul materialov, optimizacijo proizvodnih procesov in razvojem novih struktur baterij so izboljšali zmogljivost litijevih fosfatnih baterij in postopoma odpravili njihove pomanjkljivosti.

Široka uporaba: "nevidni pomočnik" v življenju

Litij-fosfatne baterije se zaradi svojih prednosti pogosto uporabljajo na številnih področjih. V naših življenjih so kot "nevidni pomočniki", ki igrajo pomembno vlogo v tišini.

Sektor električnih vozil: okolju prijaznejše in varnejše potovanje

Na področju električnih vozil so litijeve fosfatne baterije "zvezdniški izdelki". Tesla ima veliko modelov, ki uporabljajo litijeve fosfatne baterije, tudi BYD-jeva "baterija rezilo" je vrsta litijeve fosfatne baterije. Ta električna vozila, opremljena z litijevimi fosfatnimi baterijami, imajo zagotovljeno varnost, dolgo življenjsko dobo in razmeroma nizko ceno. Na primer, Tesla Model 3 Standard Range Upgrade Edition ima po zamenjavi litij-fosfatne baterije večjo stroškovno učinkovitost, kar omogoča, da več potrošnikov uživa v udobju in varstvu okolja, ki ju prinašajo električna vozila. Poleg tega se z razvojem tehnologije energijska gostota litijevo-fosfatnih baterij še naprej povečuje, povečuje pa se tudi potovalni doseg. V prihodnosti se pričakuje, da bo to zadostilo potovalnim potrebam večjega števila potrošnikov in povečalo konkurenčnost električnih vozil na trgu.

Področje sistemov za shranjevanje energije: "stabilni upravitelj" energije

Tudi na področju sistemov za shranjevanje energije se litij-fosfatne baterije dobro obnesejo. So kot "stabilna gospodinja", ki lahko shranjuje odvečno električno energijo in jo po potrebi sprosti ter tako zagotavlja stabilno oskrbo z energijo. Ne glede na to, ali gre za varno priključitev proizvodnje energije iz obnovljivih virov, kot sta proizvodnja energije iz vetra in fotovoltaika, ali za uravnavanje konic v omrežju in porazdeljene elektrarne, so sistemi za shranjevanje energije iz litij-fosfatnih baterij nepogrešljivi. Na nekaterih oddaljenih območjih se lahko električna energija, proizvedena s fotonapetostno proizvodnjo električne energije, shrani v litij-fosfatne baterije, da jo lahko lokalni prebivalci uporabljajo ponoči ali ob oblačnem vremenu, s čimer se reši problem nestabilne oskrbe z energijo. Poleg tega sta dolga življenjska doba in visoka varnost litij-fosfatnih baterij baterije prav tako omogoča, da je sistem za shranjevanje energije bolj zanesljiv in lahko dolgo časa stabilno deluje.

Električna orodja: močan partner za učinkovito delo

Na področju električnih orodij so litijeve fosfatne baterije za mnoge postale "močan partner". Pri običajnih električnih orodjih, kot so električni vrtalniki in električne žage, je hitrost polnjenja po uporabi litij-fosfatnih baterij hitrejša, kar nam omogoča učinkovitejše opravljanje dela. Poleg tega visoka varnost litijevo-fosfatnih baterij zmanjšuje tudi varnostna tveganja pri uporabi električnega orodja. Nekateri poklicni gradbeni delavci na primer uporabljajo električna orodja, opremljena z litijevimi fosfatnimi baterijami, ne da bi jih skrbelo, da je baterija med uporabo nevarna, in lahko delajo bolj varno.

Prenosne elektronske naprave: majhna velikost, velika moč

Čeprav energijska gostota litijevih fosfatnih baterij na področju prenosnih elektronskih naprav ni največja, pa se zaradi svoje stabilnosti in varnosti lahko uporabljajo v nekaterih napravah, ki imajo posebne zahteve glede zmogljivosti baterij. Za instrumente za zaznavanje na terenu, vojaško komunikacijsko opremo itd. so potrebne baterije, ki stabilno delujejo v različnih okoljih, litij-fosfatne baterije pa te zahteve dobro izpolnjujejo. Če ročna naprava GPS pri raziskovanju divjine uporablja litijeve fosfatne baterije, lahko zagotovi normalno delovanje opreme tudi v zahtevnih okoljih, kot so visoke in nizke temperature, ter raziskovalcem zagotavlja natančne informacije o položaju.

Prihodnost je obetavna: napovedi razvojnih trendov

V prihodnosti so obeti za razvoj litijevih fosfatnih baterij zelo dobri, na številnih ključnih področjih pa se pričakuje velik preboj.

Kar zadeva nadzor stroškov, je z zrelostjo tehnologije in izboljšanjem industrijske verige veliko možnosti za zmanjšanje stroškov surovin in proizvodnih stroškov. Avtoritativne raziskovalne ustanove napovedujejo, da naj bi se do leta 2025 stroški litijevega železovega fosfata znižali na 0,4 juana/Wh, kar je 60% manj kot leta 2020. Zaradi znižanja stroškov bodo litij-fosfatne baterije postale cenovno konkurenčnejše na trgu in bodo še naprej spodbujale njihovo priljubljenost na različnih področjih.

Izboljšanje energijske gostote je tudi ključna usmeritev za prihodnji razvoj litijevih fosfatnih baterij. Raziskovalci dejavno razvijajo nove materiale in postopke za izboljšanje energijske gostote litijevih fosfatnih baterij. baterije . Podjetja, kot je CATL, so na tem področju dosegla nekaj rezultatov in pričakuje se, da bodo v prihodnosti dosegla še večji napredek. Pričakuje se, da se bo v naslednjih nekaj letih gostota energije litij-fosfatnih baterij povečala na več kot 200Wh/kg, kar bo učinkovito rešilo problem kratkega dosega vožnje.

Veliko pozornosti je pritegnil tudi napredek tehnologije recikliranja. Trenutno je recikliranje odpadnih litij-železo-fosfatnih baterij postala vroča točka v industriji. Z nenehnim napredkom tehnologije se bosta učinkovitost recikliranja in stopnja izkoriščenosti virov močno izboljšali. V prihodnosti se lahko pojavijo okolju prijaznejše in učinkovitejše tehnologije recikliranja, da bi dosegli recikliranje baterijskih materialov in zmanjšali vpliv na okolje. Hkrati lahko tudi zmanjša pridobivanje surovin in prihrani vire.

Kar zadeva širitev uporabe, se pričakuje, da bodo poleg obstoječih električnih vozil, shranjevanja energije, električnih orodij in drugih področij litij-fosfatne baterije zasijale na več novih področjih. Na primer, na področju letalstva in vesolja se lahko zaradi večje gostote energije v prihodnosti uporabljajo v majhnih letalih; na področju pametnih domov lahko litij-fosfatne baterije zagotavljajo tudi stabilno napajanje različnih pametnih naprav, kar odpira širši tržni prostor.

Povzetek in interakcija

Na splošno imajo litijeve fosfatne baterije pomembno vlogo v električnih vozilih, sistemih za shranjevanje energije, električnih orodjih in prenosnih elektronskih napravah zaradi visoke varnosti, dolge življenjske dobe, dobre zaščite okolja, hitrega polnjenja in stabilnega delovanja. Čeprav imajo pomanjkljivosti, kot so nizka gostota energije, visoka cena, slabo delovanje pri nizkih temperaturah in težave s skladnostjo, se te težave z nenehnim napredkom tehnologije postopoma rešujejo, možnosti za prihodnji razvoj pa so zelo široke.

Če imate vprašanja o litijevih fosfatnih baterijah ali svoje zamisli o njihovih prihodnjih možnostih uporabe, pustite sporočilo v polju za komentarje in se pogovorite. Pogumno napovejmo, katero novo področje litij-fosfatnih baterij baterije se bo v petih letih pogosto uporabljal? Veselim se, da boste vsi delili svoja mnenja, in skupaj bomo raziskovali več možnosti litij-fosfatnih baterij.