الاسم الكامل لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد هو بطارية ليثيوم أيون فوسفات الحديد الليثيوم، وهذا الاسم طويل جدًا، ويشار إليه ببطارية ليثيوم فوسفات الحديد. نظرًا لأن أدائها مناسب بشكل خاص لتطبيقات الطاقة، فقد تمت إضافة كلمة "طاقة" إلى الاسم، أي بطارية طاقة فوسفات حديد الليثيوم. يسميها بعض الأشخاص أيضًا "بطارية طاقة ليثيوم حديد (LiFe)".
مبدأ العمل
تشير بطارية ليثيوم فوسفات الحديد إلى بطارية ليثيوم أيون تستخدم فوسفات حديد الليثيوم كمواد قطبية موجبة. المواد الكاثودية الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون هي كوبالت الليثيوم ومنجنات الليثيوم ونيكل الليثيوم والمواد الثلاثية وفوسفات حديد الليثيوم وما إلى ذلك. كوبالت الليثيوم هو مادة الأنود المستخدمة في معظم بطاريات الليثيوم أيون.
دلالة
في سوق تجارة المعادن، يعتبر الكوبالت (Co) هو الأغلى ثمناً ولديه مساحة تخزين قليلة، والنيكل (Ni) والمنغنيز (Mn) أرخص، والحديد (Fe) لديه مساحة تخزين أكبر. كما أن سعر مادة الأنود يتماشى مع سعر هذه المعادن. لذلك، يجب أن تكون بطاريات الليثيوم أيون المصنوعة من مواد الكاثود LiFePO4 رخيصة جدًا. ميزة أخرى لها هي عدم التلوث بالبيئة.
كبطارية قابلة لإعادة الشحن، فإن المتطلبات هي: قدرة عالية، جهد خرج عالي، أداء جيد لدورة الشحن والتفريغ، جهد خرج ثابت، تفريغ شحن تيار عالي، استقرار كهروكيميائي، سلامة في الاستخدام (لن يسبب احتراق أو انفجار بسبب التشغيل غير السليم مثل الشحن الزائد والتفريغ الزائد والدائرة القصيرة)، نطاق درجة حرارة التشغيل الواسع، غير سام أو أقل سمية، لا تلوث البيئة. تعد بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم التي تستخدم LiFePO4 كقطب كهربائي إيجابي جيدة في متطلبات الأداء هذه، خاصة في التفريغ بمعدل التفريغ الكبير (5 ~ 10C التفريغ)، وجهد التفريغ المستقر، والسلامة (بدون احتراق، بدون انفجار)، والحياة (عدد الدورات)، ولا تلوث البيئة، إنها الأفضل، وهي حاليًا أفضل بطارية طاقة مخرجة عالية التيار.
الهيكل ومبدأ العمل
يتم توصيل LiFePO4، باعتباره القطب الموجب للبطارية، بواسطة رقائق الألومنيوم إلى القطب الموجب للبطارية. يوجد في المنتصف غشاء بوليمر، الذي يفصل القطب الموجب عن القطب السالب، لكن أيون الليثيوم Li يمكنه المرور من خلاله ولا يستطيع الإلكترون الإلكتروني المرور من خلاله. على اليمين يوجد القطب السالب للبطارية المكون من الكربون (الجرافيت)، والذي يتم توصيله مع القطب السالب للبطارية بواسطة رقائق النحاس. بين الطرفين العلوي والسفلي للبطارية يوجد المنحل بالكهرباء للبطارية، والبطارية مغلقة بغلاف معدني.
عندما يتم شحن بطارية LiFePO4، يهاجر أيون الليثيوم Li الموجود في القطب الموجب إلى القطب السالب من خلال غشاء البوليمر؛ أثناء عملية التفريغ، يهاجر أيون الليثيوم Li الموجود في القطب السالب عبر الحجاب الحاجز إلى القطب الموجب. تم تسمية بطاريات الليثيوم أيون بهذا الاسم لأن أيونات الليثيوم تهاجر ذهابًا وإيابًا أثناء شحنها وتفريغها.
الأداء الرئيسي
الجهد الاسمي لبطارية LiFePO4 هو 3.2V، وجهد شحن الإنهاء هو 3.6V، وجهد تفريغ الإنهاء هو 2.0V. نظرًا لاختلاف جودة ومعالجة مواد القطب الموجب والسالب ومواد الإلكتروليت المستخدمة من قبل مختلف الشركات المصنعة، سيكون أدائها مختلفًا إلى حد ما. على سبيل المثال، نفس الطراز (نفس حزمة البطارية القياسية)، فإن سعة البطارية بها فرق كبير (10% إلى 20%).
وتجدر الإشارة هنا إلى وجود بعض الاختلافات في معايير أداء بطاريات طاقة فوسفات الحديد الليثيوم التي تنتجها المصانع المختلفة؛ بالإضافة إلى ذلك، لم يتم تضمين بعض أداء البطارية، مثل المقاومة الداخلية للبطارية، ومعدل التفريغ الذاتي، ودرجة حرارة الشحن والتفريغ.
تختلف سعة بطاريات طاقة فوسفات الحديد الليثيوم اختلافًا كبيرًا، ويمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات: أعشار صغيرة إلى بضعة ملي أمبير، وعشرات متوسطة الحجم من المللي أمبير، ومئات كبيرة من المللي أمبير. هناك أيضًا بعض الاختلافات في نفس المعلمات لأنواع مختلفة من البطاريات.
التفريغ الزائد إلى اختبار الجهد صفر:
تم إجراء اختبار التفريغ إلى الصفر الجهد لبطارية طاقة فوسفات الحديد الليثيوم STL18650(1100mAh). ظروف الاختبار: اشحن البطارية 1100mAh STL18650 بمعدل شحن 0.5C، ثم قم بتفريغها بمعدل تفريغ 1.0C حتى يصل جهد البطارية إلى 0C. ثم يتم تقسيم البطاريات الموضوعة في 0V إلى مجموعتين: يتم تخزين مجموعة واحدة لمدة 7 أيام، ويتم تخزين المجموعة الأخرى لمدة 30 يومًا؛ بعد انتهاء فترة التخزين، يتم ملؤه بمعدل شحن 0.5C، ثم يتم تفريغه بمعدل 1.0C. وأخيرا، تتم مقارنة الفرق بين فترتي تخزين الجهد الصفري.
نتيجة الاختبار هي أنه بعد 7 أيام من تخزين الجهد صفر، لا يوجد تسرب للبطارية، وأداء جيد، والقدرة 100%؛ بعد 30 يومًا من التخزين، لا يوجد تسرب، أداء جيد، سعة 98%؛ وبعد 30 يومًا من التخزين، يتم شحن البطارية وتفريغها لمدة 3 دورات إضافية، وتعود السعة إلى 100%.
يوضح هذا الاختبار أنه حتى لو تم تفريغ بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (حتى إلى 0V)، وتخزينها لفترة معينة، فلن تتسرب البطارية أو تتلف. وهذه ميزة لا تمتلكها الأنواع الأخرى من بطاريات الليثيوم أيون.
ميزة
1. تحسين أداء السلامة
إن رابطة PO في بلورات فوسفات حديد الليثيوم مستقرة ويصعب تحللها، حتى في درجات الحرارة المرتفعة أو الشحن الزائد، ولن تنهار أو تسخن أو تشكل مواد مؤكسدة قوية مثل أكسيد كوبالت الليثيوم، لذلك فهي تتمتع بأمان جيد. تم الإبلاغ عن أنه تم العثور على جزء صغير من العينة محترقًا أثناء التشغيل الفعلي للإبرة أو تجربة الدائرة القصيرة، ولكن لم يكن هناك حدث انفجار، واستخدمت تجربة الشحن الزائد شحنة عالية الجهد تجاوزت التفريغ الذاتي بشكل كبير الجهد عدة مرات، وتبين أنه لا يزال هناك انفجار. ومع ذلك، فقد تم تحسين سلامة الشحن الزائد بشكل كبير مقارنة ببطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم السائلة العادية.
2. تحسين الحياة
بطارية ليثيوم فوسفات الحديد هي بطارية ليثيوم أيون تستخدم فوسفات حديد الليثيوم كمادة قطب كهربائي موجب.
يبلغ عمر دورة بطارية الرصاص الحمضية طويلة العمر حوالي 300 مرة، والحد الأقصى هو 500 مرة، في حين أن بطارية طاقة فوسفات الحديد الليثيوم لها عمر دورة أكثر من 2000 مرة، والشحن القياسي ({{5} }معدل الساعة) يمكن استخدامه لمدة 2000 مرة. بطارية الرصاص الحمضية ذات الجودة نفسها هي "نصف عام جديد، نصف عام قديم، صيانة وصيانة لمدة نصف عام آخر"، على الأكثر من 1 إلى 1.5 سنة، وتستخدم بطاريات فوسفات حديد الليثيوم تحت نفس الظروف النظرية. سوف تصل الحياة إلى 7 إلى 8 سنوات. وبشكل عام، فإن نسبة سعر الأداء تزيد عن 4 أضعاف بطاريات الرصاص الحمضية من الناحية النظرية. يمكن أن يكون التفريغ الحالي العالي شحنًا وتفريغًا سريعًا بتيار عالي 2C، تحت الشاحن الخاص، يمكن شحن شحن 1.5C بالكامل في غضون 40 دقيقة، وبدء التيار حتى 2C، ولا تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية بهذا الأداء.
3. أداء جيد لدرجة الحرارة العالية
يمكن أن تصل القيمة القصوى لفوسفات حديد الليثيوم إلى 350 درجة -500 درجة، في حين تبلغ قيمة منجنات الليثيوم وكوبالتات الليثيوم حوالي 200 درجة فقط. نطاق درجة حرارة التشغيل واسع (-20C-- 75C)، ويمكن أن تصل الذروة الكهربائية لفوسفات حديد الليثيوم إلى 350 درجة -500 درجة، في حين أن حمض منغنيز الليثيوم وحمض كوبالت الليثيوم هما فقط حوالي 200 درجة.
4. سعة كبيرة
تعمل البطاريات غالبًا بشرط أن تكون ممتلئة وغير فارغة، وسرعان ما تنخفض السعة عن قيمة السعة المقدرة، وهو ما يسمى بتأثير الذاكرة. مثل هيدريد معدن النيكل، تتمتع بطاريات النيكل والكادميوم بذاكرة، ولا تتمتع بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد بهذه الظاهرة، بغض النظر عن حالة البطارية، يمكن استخدامها مع الشحن، دون وضعها أولاً ثم شحنها.
6. خفيفة الوزن
حجم ووزن بطارية ليثيوم فوسفات الحديد بنفس السعة هو 2/3 من الحجم و1/3 من وزن بطارية الرصاص الحمضية.
7. حماية البيئة
تعتبر بطاريات فوسفات حديد الليثيوم عمومًا خالية من أي معادن ثقيلة ومعادن نادرة (تحتاج بطاريات هيدريد معدن النيكل إلى معادن نادرة)، وغير سامة (شهادة SGS)، وخالية من التلوث، بما يتماشى مع لوائح RoHS الأوروبية، من أجل الحفاظ على البيئة المطلقة. شهادة البطارية. لذلك، فإن السبب وراء تفاؤل الصناعة بشأن بطاريات الليثيوم هو اعتبارات حماية البيئة بشكل أساسي، لذلك تم إدراج البطارية في الخطة الوطنية لتطوير التكنولوجيا الفائقة "863" خلال فترة "الخطة الخمسية العاشرة"، وأصبح مشروعاً وطنياً رئيسياً لدعم وتشجيع التنمية. ومع انضمام الصين إلى منظمة التجارة العالمية، سيزداد حجم صادرات الدراجات الكهربائية الصينية بسرعة، ويتعين على الدراجات الكهربائية التي تدخل أوروبا والولايات المتحدة أن تكون مجهزة ببطاريات خالية من التلوث.
ومع ذلك، قال بعض الخبراء أن التلوث البيئي الناجم عن بطاريات الرصاص الحمضية يحدث بشكل رئيسي في عملية الإنتاج غير القياسية وعملية إعادة التدوير في الشركات. وبالمثل، تنتمي بطاريات الليثيوم إلى صناعة الطاقة الجديدة وهي جيدة، لكنها لا تستطيع تجنب مشكلة التلوث بالمعادن الثقيلة. قد يتم إطلاق الرصاص والزرنيخ والكادميوم والزئبق والكروم وما إلى ذلك في معالجة المواد المعدنية في الغبار والماء. البطارية نفسها هي مادة كيميائية، لذلك من الممكن أن تنتج نوعين من التلوث: الأول هو التلوث الناتج عن عملية الإنتاج في مشروع الإنتاج؛ والثاني هو تلوث البطارية بعد التخريد.
بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد لها أيضًا عيوبها: مثل ضعف الأداء في درجات الحرارة المنخفضة، وكثافة اهتزاز المواد الإيجابية الصغيرة، وحجم بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد ذات نفس السعة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون مثل حمض الكوبالت الليثيوم، لذلك لا تحتوي على ميزة من حيث البطاريات الصغيرة. عند استخدامها في بطاريات الطاقة، تحتاج بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد، مثل البطاريات الأخرى، إلى مواجهة مشاكل تناسق البطارية.
عيب
ما إذا كانت المادة لديها القدرة على تطوير التطبيقات، بالإضافة إلى التركيز على مزاياها، فإن الأمر الأكثر أهمية هو ما إذا كانت المادة بها عيوب أساسية.
تختار الصين الآن بشكل عام فوسفات حديد الليثيوم كمادة إلكترود موجب لبطاريات الليثيوم أيون الكهربائية، من الحكومة ومؤسسات البحث العلمي والشركات وحتى شركات الأوراق المالية ومحللي السوق الآخرين متفائلون بشأن هذه المادة، كتطوير بطارية ليثيوم أيون للطاقة. اتجاه. الأسباب هي كما يلي بشكل أساسي: أولاً، تأثرًا باتجاه البحث والتطوير في الولايات المتحدة، كانت شركات Valence وA123 في الولايات المتحدة أول من استخدم فوسفات حديد الليثيوم كمادة قطب كهربائي موجب لبطاريات أيون الليثيوم. ثانيًا، لم يتم إجراء تحضير محلي لمواد منجنات الليثيوم ذات خصائص جيدة للتخزين والتدوير في درجات الحرارة العالية لبطاريات الليثيوم أيون. إلا أن لفوسفات حديد الليثيوم أيضًا عيوبًا جوهرية لا يمكن تجاهلها، ويمكن تلخيصها فيما يلي:
1. في عملية تلبيد تحضير فوسفات حديد الليثيوم، فإن أكسيد الحديد لديه إمكانية اختزاله إلى حديد عنصري في جو مخفض لدرجة الحرارة العالية. يمكن أن يتسبب الحديد الأولي في حدوث ماس كهربائي صغير للبطارية وهو المادة الأكثر حظرًا في البطارية. وهذا أيضًا هو السبب الرئيسي وراء عدم استخدام اليابان لهذه المادة كمادة قطب كهربائي موجب لبطاريات الليثيوم أيون.
2. يحتوي فوسفات حديد الليثيوم على بعض عيوب الأداء، مثل كثافة الاهتزاز وكثافة الضغط منخفضة جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون. أداء درجات الحرارة المنخفضة ضعيف، حتى طلاء النانو والكربون لم يحل هذه المشكلة. الدكتور دون هيلبراند، مدير مركز نظام تخزين الطاقة في مختبر أرجون الوطني بالولايات المتحدة، عندما تحدث عن أداء بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد في درجات الحرارة المنخفضة، استخدم رهيبًا لوصف نتائج اختبار بطاريات ليثيوم أيون فوسفات الحديد الليثيوم. أن بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد عند درجات حرارة منخفضة (أقل من 0 درجة مئوية) لا يمكنها تشغيل السيارات الكهربائية. على الرغم من أن بعض الشركات المصنعة تدعي أن معدل الاحتفاظ بالقدرة لبطاريات ليثيوم فوسفات الحديد جيد في درجات الحرارة المنخفضة، إلا أنه في حالة تيار التفريغ الصغير وجهد قطع التفريغ المنخفض. في هذه الحالة، لن يبدأ الجهاز في العمل على الإطلاق.
3. تكلفة تحضير المادة وتكلفة تصنيع البطارية أعلى، وإنتاجية البطارية منخفضة، والاتساق ضعيف. يعمل النانومتر والطلاء الكربوني لفوسفات حديد الليثيوم على تحسين الأداء الكهروكيميائي للمادة، ولكنه يجلب أيضًا مشاكل أخرى، مثل انخفاض كثافة الطاقة، وزيادة تكاليف التوليف، وضعف أداء معالجة القطب الكهربائي والمتطلبات البيئية القاسية. على الرغم من أن العناصر الكيميائية Li وFe وP في فوسفات حديد الليثيوم غنية جدًا، والتكلفة منخفضة، فإن تكلفة منتج فوسفات حديد الليثيوم المحضرة ليست منخفضة، حتى لو تمت إزالة تكلفة البحث والتطوير المبكر، فإن تكلفة العملية المواد بالإضافة إلى التكلفة العالية لإعداد البطارية ستجعل تكلفة تخزين الطاقة النهائية للوحدة أعلى.
4. ضعف تناسق المنتج. في الوقت الحاضر، لا يوجد مصنع لمواد فوسفات حديد الليثيوم في الصين لحل هذه المشكلة. من وجهة نظر تحضير المواد، فإن تخليق فوسفات حديد الليثيوم هو تفاعل معقد متعدد المراحل، مع فوسفات الطور الصلب وأكسيد الحديد وملح الليثيوم، بالإضافة إلى سلائف الكربون ومرحلة الغاز المختزل. في عملية التفاعل المعقدة هذه، من الصعب ضمان اتساق التفاعل.
5. قضايا الملكية الفكرية. في الوقت الحاضر، براءة الاختراع الأساسية لفوسفات الحديد الليثيوم مملوكة لجامعة تكساس، في حين يتم تطبيق براءة طلاء الكربون من قبل الكنديين. لا يمكن تجاوز هاتين البراءتين الأساسيتين، إذا تم حساب تكلفة حقوق الملكية، فسيتم زيادة تكلفة المنتج بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، من خلال تجربة البحث والتطوير وإنتاج بطاريات الليثيوم أيون، تعد اليابان أول دولة تقوم بتسويق بطاريات الليثيوم أيون، وقد احتلت دائمًا سوق بطاريات الليثيوم أيون المتطورة. وعلى الرغم من أن الولايات المتحدة تقود بعض الأبحاث الأساسية، إلا أنها لا تمتلك مصنعًا كبيرًا لبطاريات الليثيوم أيون حتى الآن. لذلك، من المعقول أكثر أن تختار اليابان منجنات الليثيوم المعدلة كمادة إلكترود موجب لبطاريات الليثيوم أيون الديناميكية. حتى في الولايات المتحدة، فإن استخدام فوسفات حديد الليثيوم ومنجنات الليثيوم كمصنعي مواد الكاثود لبطارية أيون الليثيوم منقسم بالتساوي، وتدعم الحكومة الفيدرالية أيضًا تطوير كلا النظامين. في ضوء المشاكل المذكورة أعلاه الموجودة في فوسفات الحديد الليثيوم، فمن الصعب أن تستخدم على نطاق واسع كمادة القطب الموجب لبطاريات الليثيوم أيون الطاقة في مجالات مثل مركبات الطاقة الجديدة. إذا تمكنا من حل مشكلة ضعف أداء التدوير والتخزين في درجات الحرارة العالية لمنجنات الليثيوم، مع مزايا التكلفة المنخفضة والأداء المرتفع، فسيكون لها إمكانات كبيرة في تطبيق بطاريات الليثيوم أيون الديناميكية.
