Стаття для розуміння літій-фосфатної батареї

Розкриваємо таємницю літій-фосфатних батарей

Що ж таке літій-фосфатна батарея? Як випливає з назви, вона тісно пов'язана з матеріалом літій-фосфат заліза. Простіше кажучи, літій-фосфатна батарея - це літій-іонна батарея, яка використовує літій-фосфат заліза в якості матеріалу позитивного електрода. Подібно до будівельних блоків, в цьому типі акумуляторів літій-фосфат заліза є важливим "будівельним блоком" і відіграє ключову роль.

Літій-залізофосфат - це матеріал з хімічною формулою LiFePO₄, який складається з літію (Li), заліза (Fe), фосфору (P) та кисню (O). Не варто недооцінювати ці елементи. У поєднанні разом літій-залізо-фосфат має унікальну "індивідуальність". Він має олівінову структуру, схожу на міцний будиночок. Ця структура надає літієвому залізному фосфату хорошу термічну стабільність. Він може залишатися стабільним у високотемпературних середовищах і не буде легко "виходити з себе". Крім того, літій-залізофосфат має відносно низьку вартість і відносно багаті ресурси, на відміну від деяких матеріалів, які є дорогими і важкодоступними. У той же час, він також дуже екологічний і не спричинить занадто великого навантаження на навколишнє середовище. Він має багато переваг.

Від народження до злету: історія розвитку літій-фосфатних батарей

Народження та розвиток фосфату літію батарейки це шлях, сповнений інновацій та викликів. У 1997 році команда під керівництвом Гуденафа з Техаського університету запропонувала концепцію літій-фосфатних акумуляторів, що було схоже на посадку насіння надії в енергетичній галузі. На той час дослідники виявили, що літій-залізо-фосфат добре працює в процесі заряджання та розряджання. Хоча на той час його характеристики не були досконалими, він вже показав великий потенціал і привернув увагу багатьох людей.

У 2004 році американська компанія A123 і шеньчженьська BAK Battery Co. спільно розробили першу в світі літій-залізо-фосфатну акумуляторну батарею і досягли індустріалізації, а літій-фосфатні акумулятори офіційно вийшли на ринок. Це як дитина, яка виростає і починає відігравати роль у суспільстві. Згодом сфери його застосування продовжували розширюватися. У 2009 році літій-фосфатні акумулятори почали використовувати в галузі зберігання енергії, відіграючи більш важливу роль у розвитку нової енергетики та надаючи нові рішення для зберігання та раціонального використання енергії.

З 2014 по 2016 рік Китай активно просував розробку нових енергетичних транспортних засобів, і літій-фосфатні батареї відкрили нові можливості, але також зіткнулися з певними проблемами. У міру вдосконалення стандартів оцінки щільності енергії акумуляторних батарей для нових енергетичних транспортних засобів розвиток літій-фосфатних батарей гальмувався через їхню нижчу щільність енергії, ніж у потрійних літієвих акумуляторів. Багато пов'язаних з цим компаній навіть збанкрутували, а літій-фосфатні батареї, схоже, потрапили в "холодну зиму".

Однак дослідники не здавалися і наполегливо працювали над подоланням технічних труднощів. Після 2019 року компанія CATL запустила технологію CTP, компанія BYD запустила лопатеві акумулятори, а компанія Guoxuan High-tech запустила технологію JTM. Ці інтегровані технологічні інновації ефективно компенсували недоліки низької щільності енергії літій-фосфатних акумуляторів. У поєднанні зі зменшенням субсидій на придбання нових енергетичних транспортних засобів у Китаї з кожним роком, дешевші літій-фосфатні батареї відкрили нову "весну" розвитку. У травні 2021 року виробництво акумуляторів перевищило виробництво акумуляторів з потрійним матеріалом. Сьогодні літій-фосфатні акумулятори широко використовуються в нових енергетичних транспортних засобах, накопичувачах енергії та інших сферах, і перспективи їх розвитку є яскравими.

Як це працює: Як тече енергія

Тепер, коли ми знаємо основний склад літій-фосфатних батарей, як вони працюють? Насправді, робочий процес літій-фосфатних батарей - це процес "переміщення" іонів літію між позитивним і негативним електродами.

Під час заряджання іони літію, як група працьовитих маленьких мурашок, "вибігають" з літій-залізо-фосфатного матеріалу катода, проходять через "магістраль" електроліту, досягають графітового катода і вбудовуються в шарувату структуру графіту. У цей час батарея накопичує енергію, перетворюючи електричну енергію в хімічну і зберігаючи її. Це як покласти кишенькові гроші в скарбничку і дістати їх, коли вони вам знадобляться.

При розряді процес відбувається в зворотному напрямку. Іони літію "деінтеркалюються" з графітового негативного електрода, а потім повертаються до літій-залізо-фосфатного позитивного електрода по "магістралі" електроліту. У цьому процесі хімічна енергія перетворюється на електричну енергію для живлення наших пристроїв, так само, як ми дістаємо кишенькові гроші зі скарбнички, щоб купити щось.

У цьому процесі заряджання та розряджання діафрагма та електроліт також відіграють ключову роль. Діафрагма - це як "ізоляційний екран", який розділяє позитивний і негативний електроди, запобігаючи їх прямому контакту і короткому замиканню, але пропускає іони літію для забезпечення нормальної роботи акумулятора. Електроліт, як "кур'єр", відповідає за транспортування іонів літію між позитивним і негативним електродами, дозволяючи іонам літію безперешкодно переміщатися між позитивним і негативним електродами для завершення заряджання і розряджання.

Виявлені переваги: Чому він дебютував у позиції С?

Літій-фосфатні акумулятори можуть виділятися серед багатьох літієвих батарей, тому вони повинні мати деякі "щітки". Далі я детально розповім про їх переваги.

Високий рівень безпеки: заспокійливий "охоронець"

Серед різних експлуатаційних характеристик акумуляторів, безпека є безумовно головним пріоритетом. Літій-фосфатні акумулятори демонструють хороші показники в цьому відношенні, і їх можна назвати "вартовими безпеки". Матеріал позитивного електрода, літій-залізо-фосфат, має суперстійкість PO-зв'язків у кристалічній структурі, подібно до міцної міської стіни. Навіть якщо він стикається з такими "ворогами", як висока температура і перезарядка, його нелегко розкласти. Він не виробляє сильних окислювальних речовин, як деякі батареї, що призводить до таких небезпек, як горіння і вибух. Наприклад, з'явилися повідомлення про те, що деякі нові енергетичні транспортні засоби, які використовують інші типи літієвих батарей, схильні до пожежі та вибуху при зіткненні або ненормальній зарядці, тоді як автомобілі, оснащені літій-фосфатними батареями, мають набагато меншу ймовірність серйозних аварій за подібних обставин. Так само, як і "лезовий акумулятор" BYD, який по суті є літій-фосфатною батареєю, він пройшов суворі випробування, такі як випробування на прокол голкою. Під час проколу голкою батарея не загорілася і не вибухнула, але температура поверхні трохи підвищилася, що повністю демонструє високу безпеку літій-фосфатних батарей.

Тривалий цикл: довговічний і міцний бігун на довгі дистанції

Термін служби - важливий показник для вимірювання якості акумулятора. Простіше кажучи, він означає, скільки повних циклів заряджання і розряджання може витримати батарея. Літій-фосфатні акумулятори схожі на "бігунів на довгі дистанції" з дуже довгим терміном служби, зазвичай більше 2 000 разів, а для якісних акумуляторів - навіть 5 000 разів. Для порівняння, термін служби свинцево-кислотних батарей, як правило, становить лише близько 300 разів, і розрив дуже очевидний. Це означає, що при використанні літій-фосфатних акумуляторів немає необхідності часто замінювати батареї, що економить гроші і турботи. Наприклад, у сфері зберігання енергії система зберігання енергії з використанням літій-фосфатних батарей може стабільно працювати протягом багатьох років і виконувати велику кількість циклів заряду і розряду, забезпечуючи надійні гарантії зберігання і розгортання енергії, а також значно знижуючи подальші витрати на обслуговування і заміну.

Хороший захист навколишнього середовища: "Зелений вісник" на захисті довкілля

Сьогодні, коли зростає екологічна свідомість, екологічність батарейок також привертає багато уваги. Літій-фосфатні батареї можна назвати "зеленим посланцем", який захищає навколишнє середовище. Його основними компонентами є залізо і фосфор, які є не тільки багатими ресурсами, але й дуже екологічно чистими. У процесі виробництва він не виробляє великої кількості забруднення важкими металами, як деякі традиційні батареї. Крім того, літій-фосфатні батареї відносно легко переробляються, що може ефективно зменшити шкоду відходів акумуляторів для навколишнього середовища і відповідає концепції сталого розвитку. BYD доклав багато зусиль для переробки акумуляторів, переробки використаного фосфату літію батарейки переробляють відходи, видобуваючи з них корисні матеріали, і знову пускають у виробництво, що не лише економить ресурси, а й захищає навколишнє середовище.

Швидка швидкість заряджання: ефективний і зручний "експерт швидкого заряджання"

У наш стрімкий час швидкість заряджання також є предметом занепокоєння для всіх. Літій-фосфатні акумулятори добре зарекомендували себе в цьому відношенні і є "експертами швидкого заряджання". Вони мають високу ефективність заряджання і можуть заряджатися за короткий час. Наприклад, деякі нові енергетичні транспортні засоби, оснащені літій-фосфатними батареями, можуть зарядити потужність від низького рівня до приблизно 80% приблизно за півгодини при використанні обладнання для швидкої зарядки, що значно економить час зарядки. Для тих, кому потрібно часто подорожувати, це дуже зручно. Їм не потрібно довго чекати на зарядку, і вони можуть організувати свої поїздки більш ефективно.

Стабільна робота: універсальний інструмент для різних середовищ

Незалежно від температури та умов роботи, продуктивність літій-фосфатних батарей є відносно стабільною, як у "універсального" акумулятора з надзвичайною адаптивністю. У високотемпературному середовищі він може підтримувати низький внутрішній опір і тривалий термін служби, і не "ламається" через підвищення температури, і все ще може стабільно виробляти електричну енергію. У низькотемпературному середовищі, хоча його продуктивність буде певною мірою знижена, це вже хороші показники порівняно з деякими іншими типами акумуляторів. Наприклад, в холодну зиму батарея деяких мобільних телефонів буде швидко розряджатися через низькі температури або навіть автоматично вимикатися, але ймовірність того, що це станеться з пристроями, що використовують літій-фосфатні акумулятори, буде набагато меншою, і вони все ще можуть нормально працювати і задовольняти наші потреби.

Недоліки: Жодна батарея не є ідеальною

Хоча літій-фосфатні батареї мають багато переваг, у світі не існує ідеальної батареї, і вони також мають деякі недоліки.

Низька щільність енергії: трохи "громіздкий" енергоносій

Порівняно з потрійними літієвими батареями, літій-фосфатні батареї мають меншу щільність енергії. Низька щільність енергії означає, що вони не зберігають стільки ж електричної енергії при тій же вазі або об'ємі. Наприклад, щільність енергії потрійних літієвих батарей може досягати понад 200 Вт-год/кг, тоді як літій-фосфатні батареї зазвичай мають щільність близько 150 Вт-год/кг. Це як два рюкзаки: один може вмістити багато речей, а інший - менше. Тому пристрої, що використовують літій-фосфатні батареї, можуть мати менший радіус дії, або для досягнення певного радіусу дії потрібен більший розмір і вага батареї, що буде обмежено в деяких сценаріях застосування, які мають суворі вимоги до простору і ваги, наприклад, у безпілотних літальних апаратах.

Висока вартість: цінові фактори, що обмежують популяризацію

Хоча сам матеріал не є дорогим, а ресурсів достатньо, загальна собівартість виробництва літій-фосфатних акумуляторів не є низькою. З одного боку, процес виробництва відносно складний і має високі вимоги до виробничого обладнання та навколишнього середовища, що збільшує собівартість продукції. З іншого боку, ефективність виробництва літій-фосфатних батарей недостатньо висока, і коефіцієнт виходу потрібно покращувати, що ускладнить зниження кінцевої вартості батареї. У порівнянні з деякими іншими типами акумуляторів, цінова перевага літій-фосфатних батарей не настільки очевидна, що певною мірою обмежує їх застосування і популярність в більш широкому спектрі областей.

Погана робота при низьких температурах: прикрість холодної погоди

Літій-фосфатні акумулятори погано працюють в умовах низьких температур, що можна назвати "невеликим недоліком". При температурі нижче 0 ℃ продуктивність акумулятора значно знижується, внутрішній опір акумулятора збільшується, що призводить до зменшення ємності акумулятора і уповільнення швидкості зарядки. При температурі близько -20 ℃ зниження ємності акумулятора може досягати близько 55%. Це як взимку, мобільність людей ослабне, а батарея буде "менш потужною" при низьких температурах. У холодну зиму на півночі діапазон електромобілів, що використовують літій-фосфатні батареї, значно скоротиться, що спричинить багато проблем для користувачів.

Проблема узгодженості: нерівномірність "членів команди"

При виробництві літій-фосфатних акумуляторів непросто забезпечити повну узгодженість характеристик кожної батареї. Через вплив таких факторів, як виробничий процес і сировина, між різними батареями будуть певні відмінності, що і є проблемою узгодженості. Коли в акумуляторній батареї використовується кілька батарей, ця невідповідність буде підкреслена. Як і в команді, якщо здібності членів команди нерівномірні, це вплине на загальну ефективність роботи. Батареї з низькою продуктивністю в акумуляторному блоці обмежать продуктивність всього блоку, що призведе до скорочення терміну служби акумуляторного блоку, а також може вплинути на стабільність і надійність роботи обладнання.

Однак дослідники не сиділи склавши руки і наполегливо працювали над подоланням цих проблем. Вдосконалюючи формули матеріалів, оптимізуючи виробничі процеси та розробляючи нові структури батарей, вдалося підвищити продуктивність літій-фосфатних акумуляторів, а також поступово усунути їхні недоліки.

Широко використовується: "невидимий помічник" у житті

Літій-фосфатні акумулятори знайшли широке застосування в багатьох сферах завдяки своїм перевагам. Вони як "невидимі помічники" в нашому житті, безшумно відіграють важливу роль.

Сектор електромобілів: зробити подорожі екологічнішими та безпечнішими

У сфері електромобілів літій-фосфатні батареї є "зірковими продуктами". Tesla має багато моделей, які використовують літій-фосфатні акумулятори, а "лопатева батарея" BYD також є різновидом літій-фосфатного акумулятора. Ці електромобілі, оснащені літій-фосфатними батареями, мають гарантовану безпеку, тривалий термін служби і відносно низьку вартість. Наприклад, Tesla Model 3 Standard Range Upgrade Edition після заміни літій-фосфатної батареї має вищу економічну ефективність, що дозволяє більшій кількості споживачів насолоджуватися зручністю та захистом навколишнього середовища, які приносять електромобілі. Крім того, з розвитком технологій щільність енергії літій-фосфатних батарей продовжує зростати, а запас ходу також збільшується. Очікується, що в майбутньому це дозволить задовольнити потреби в пересуванні більшої кількості споживачів і зробить електромобілі більш конкурентоспроможними на ринку.

Сфера систем зберігання енергії: "стабільний управитель" енергії

У сфері систем зберігання енергії літій-фосфатні акумулятори також добре зарекомендували себе. Вони подібні до "статечної господині", яка може зберігати надлишок електричної енергії і віддавати її за потреби, забезпечуючи гарантію стабільного постачання енергії. Незалежно від того, чи йдеться про безпечне підключення до мережі електростанцій, що виробляють електроенергію з відновлюваних джерел, таких як вітрові та фотоелектричні електростанції, чи про регулювання пікових навантажень у мережі та розподілені електростанції, системи зберігання енергії на основі літій-фосфатних акумуляторів є незамінними. У деяких віддалених районах електроенергія, вироблена фотоелектричною генерацією, може зберігатися в літій-фосфатних батареях, щоб місцеві жителі могли використовувати її вночі або в похмурі дні, вирішуючи проблему нестабільного енергопостачання. Крім того, тривалий термін служби і висока безпека фосфату літію батарейки також роблять систему зберігання енергії більш надійною і здатною стабільно працювати протягом тривалого часу.

Електроінструменти: потужний партнер для ефективної роботи

У сфері електроінструментів літій-фосфатні акумулятори стали "потужним партнером" для багатьох людей. Для звичайних електроінструментів, таких як електродрилі та електропили, швидкість заряджання після використання літій-фосфатних акумуляторів є вищою, що дозволяє виконувати роботу більш ефективно. Крім того, висока безпека літій-фосфатних батарей також знижує ризики безпеки при використанні електроінструментів. Наприклад, деякі професійні будівельники використовують електроінструменти з літій-фосфатними акумуляторами, не турбуючись про те, що акумулятор може бути небезпечним під час використання, і можуть працювати більш безпечно.

Портативні електронні пристрої: маленький розмір, велика потужність

У сфері портативних електронних пристроїв, хоча щільність енергії літій-фосфатних батарей не є найвищою, їх стабільність і безпека дозволяють використовувати їх у деяких пристроях, які мають особливі вимоги до продуктивності батареї. Польові прилади виявлення, військові засоби зв'язку тощо вимагають від батарей стабільної роботи в різних умовах, і літій-фосфатні батареї добре відповідають цим вимогам. При дослідженні дикої природи, якщо портативний GPS-пристрій використовує літій-фосфатні батареї, він може забезпечити нормальну роботу обладнання навіть в суворих умовах, таких як високі і низькі температури, і надавати точну інформацію про місцезнаходження для дослідників.

Майбутнє багатообіцяюче: прогноз тенденцій розвитку

Перспективи розвитку літій-фосфатних акумуляторів є яскравими, і в багатьох ключових сферах очікуються значні прориви.

З точки зору контролю витрат, зі зрілістю технологій і вдосконаленням промислового ланцюжка є багато можливостей для зниження витрат на сировину та виробничих витрат. Авторитетні дослідницькі установи прогнозують, що до 2025 року вартість літієвого фосфату заліза знизиться до 0,4 юаня/Вт-год, що на 60% менше, ніж у 2020 році. Зниження вартості зробить літій-фосфатні акумулятори більш конкурентоспроможними на ринку і сприятиме подальшому зростанню їхньої популярності в різних сферах.

Підвищення щільності енергії також є ключовим напрямком майбутнього розвитку літій-фосфатних акумуляторів. Дослідники активно розробляють нові матеріали та процеси для підвищення щільності енергії фосфату літію батарейки . Такі компанії, як CATL, досягли певних результатів у цьому напрямку і, як очікується, досягнуть більших проривів у майбутньому. Очікується, що в найближчі кілька років щільність енергії літій-фосфатних батарей може збільшитися до більш ніж 200 Вт-год/кг, що ефективно вирішить проблему короткого запасу ходу.

Розвиток технологій переробки також привертає багато уваги. Наразі переробка відпрацьованих літій-залізо-фосфатних акумуляторів стала гарячою точкою в галузі. З постійним розвитком технологій ефективність переробки та рівень використання ресурсів значно покращаться. У майбутньому можуть з'явитися більш екологічно чисті та ефективні технології переробки, які дозволять досягти переробки матеріалів акумуляторів та зменшити вплив на навколишнє середовище. Водночас це також може зменшити видобуток сировини та заощадити ресурси.

З точки зору розширення сфери застосування, на додаток до існуючих електромобілів, накопичувачів енергії, електроінструментів та інших галузей, очікується, що літій-фосфатні батареї засяють у нових галузях. Наприклад, в аерокосмічній галузі, зі збільшенням щільності енергії, вони можуть бути використані в малих літальних апаратах в майбутньому; в галузі розумних будинків літій-фосфатні батареї також можуть забезпечити стабільне живлення для різних розумних пристроїв, відкриваючи ширший ринковий простір.

Підсумок та взаємодія

Загалом, літій-фосфатні акумулятори відіграють важливу роль в електромобілях, системах зберігання енергії, електроінструментах та портативних електронних пристроях завдяки своїй високій безпеці, тривалому терміну служби, хорошому захисту навколишнього середовища, швидкій швидкості заряджання та стабільній роботі. Хоча вони мають такі недоліки, як низька щільність енергії, висока вартість, погана робота при низьких температурах і проблеми з консистенцією, ці проблеми поступово вирішуються з постійним розвитком технологій, і перспективи розвитку в майбутньому дуже широкі.

Якщо у вас виникли питання про літій-фосфатні батареї або у вас є власні ідеї щодо сценаріїв їх майбутнього застосування, будь ласка, залиште повідомлення в коментарях для обговорення. Давайте сміливо прогнозувати, яку нову сферу застосування літій-фосфат батарейки будуть широко використовуватися через п'ять років? Я з нетерпінням чекаю, коли всі поділяться своїми думками, і ми будемо спілкуватися разом, щоб дослідити більше можливостей літій-фосфатних батарей.