Was sind die sechs Vor- und fünf Nachteile von Lithiumeisenphosphatbatterien?

Der vollständige Name der Lithiumeisenphosphatbatterie lautet Lithiumeisenphosphationenbatterie. Da seine Leistung besonders für die Anwendung von Energie geeignet ist, wurde im Namen das Wort "Leistung" hinzugefügt, nämlich Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterie. Es wird auch als "Lithium-Eisen (Life)" -Batterie bezeichnet.

Das Arbeitsprinzip einer Lithiumeisenphosphatbatterie bezieht sich auf eine Lithiumionenbatterie mit Lithiumeisenphosphat als positivem Elektrodenmaterial. Die Anodenmaterialien der Lithiumionenbatterie umfassen hauptsächlich Lithiumkobaltsäure, Lithiummangansäure, Lithiumnickelsäure, ternäre Materialien, Lithiumeisenphosphat und so weiter. Derzeit ist Lithiumkobaltoxid das Anodenmaterial, das in den meisten Lithiumionenbatterien verwendet wird.

Bedeutung

Auf dem Metallmarkt ist Kobalt am teuersten und hat weniger Lager, Nickel und Mangan sind billiger und Eisen hat mehr. Die Preise für Anodenmaterialien stimmen ebenfalls mit denen dieser Metalle überein. Daher sollten Lithium-Ionen-Batterien aus LiFePO4-Anodenmaterialien recht billig sein. Ein weiteres Merkmal ist keine Umweltverschmutzung.

Da die Anforderungen an die wiederaufladbaren Batterien sind: hohe Kapazität, hohe Ausgangsspannung, gute Lade- und Entladezyklusleistung, stabile Ausgangsspannung, Laden und Entladen mit hohem Strom, elektrochemische Stabilität, Verwendung der Sicherheit (nicht geladen, entladen und Kurzschluss verursacht durch unsachgemäßer Betrieb (wie Verbrennung oder Explosion), großer Arbeitstemperaturbereich, ungiftig oder weniger giftig, keine Umweltverschmutzung. Die Verwendung von LiFePO4 als Anode von Lithiumeisenphosphat-Batterien erfüllt diese Leistungsanforderungen, insbesondere bei Entladungen mit hoher Entladungsrate (5 ~ 10 c Entladung), stabiler Entladungsspannung, Sicherheit, nicht brennend, keine Explosion und Lebensdauer (Zyklen) Die Umwelt ist umweltfreundlich, es ist die beste, derzeit die beste Batterie mit großer Ausgangsleistung.

Struktur und Arbeitsprinzip

Das LiFePO4 als positive Elektrode der Batterie ist über Aluminiumfolie mit der positiven Elektrode der Batterie verbunden. In der Mitte befindet sich eine Polymermembran, die die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt. Das Lithiumion Li kann jedoch passieren, während das Elektron dies nicht kann. Zwischen dem oberen und unteren Ende der Batterie befindet sich der Elektrolyt der Batterie, der durch eine Metallhülle abgedichtet ist.

Wenn die LiFePO4-Batterie geladen ist, wandert Lithium-Li in der positiven Elektrode durch die Polymermembran zur negativen Elektrode. Während der Entladung wandert Lithium Li in der negativen Elektrode durch die Membran zur positiven Elektrode. Lithium-Ionen-Batterien werden nach der Art und Weise benannt, wie sie sich zwischen Laden und Entladen hin und her bewegen.

Die Hauptleistung

Die Nennspannung der LiFePO4-Batterie beträgt 3,2 V, die Abschlussladespannung beträgt 3,6 V und die Abschlussentladespannung beträgt 2,0 V. Aufgrund der unterschiedlichen Qualität und des unterschiedlichen Prozesses von positiven und negativen Elektrodenmaterialien und Elektrolytmaterialien, die von verschiedenen Herstellern verwendet werden, gibt es einige Unterschiede in ihrer Leistung. Beispielsweise variiert die Batteriekapazität des gleichen Typs (Standardbatterie im gleichen Paket) stark (10% ~ 20%).

Hierbei ist zu beachten, dass die Leistungsparameter von Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterien, die von verschiedenen Fabriken hergestellt werden, einige Unterschiede aufweisen. Darüber hinaus sind einige Batterieeigenschaften nicht enthalten, wie z. B. der Innenwiderstand der Batterie, die Selbstentladungsrate, die Lade- und Entladetemperatur.

Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterien unterscheiden sich stark in ihrer Kapazität und können in drei Kategorien unterteilt werden: kleine Batterien von einigen Zehnteln bis zu einigen 2/5000 Millimetern, mittelgroße Batterien von einigen zehn bis 2/5000 Millimetern und große im Bereich von einigen hundert Millimetern. Es gibt auch einige Unterschiede bei den gleichen Parametern für verschiedene Batterietypen.

Überentladung auf Nullspannungstest:

Die Lithiumeisenphosphatbatterie STL18650 (1100 mAh) wurde für den Test von der Entladung bis zur Nullspannung verwendet. Testbedingungen: Der 1100-mAh-STL18650-Akku wurde vollständig mit einer Laderate von 0,5 c aufgeladen und dann mit einer Entladerate von 1,0 c auf eine Batteriespannung von 0 ° C entladen. Legen Sie dann die 0-V-Batterie in zwei Gruppen: eine Gruppe für 7 Tage, eine andere Gruppe für 30 Tage; Wenn der Speicher abgelaufen ist, laden Sie ihn mit einer Laderate von 0,5 c auf und entladen Sie ihn mit 1,0 c. Schließlich wurden die Unterschiede zwischen den beiden ZVS-Speicherperioden verglichen.

Die Testergebnisse zeigen, dass der Akku nach 7 Tagen Nullspannungsspeicherung keine Leckage, gute Leistung und 100% Kapazität aufweist. Nach 30 Tagen keine Leckage, gute Leistung, 98% Kapazität; Nach 30 Tagen Lagerung wurde der Akku für weitere 3 Zyklen geladen und entladen, und die Kapazität wurde auf 100% wiederhergestellt.

Dieser Test zeigt, dass die Lithiumeisenphosphatbatterie auch dann nicht ausläuft oder beschädigt, wenn sie entladen (sogar auf 0 V) und für eine bestimmte Zeit gelagert wird. Dies ist eine Eigenschaft, die andere Arten von Lithium-Ionen-Batterien nicht haben.

Vorteil

1. Verbesserung der Sicherheitsleistung

Die Po-Bindung im Lithiumeisenphosphatkristall ist stabil und schwer zu zersetzen. Selbst bei hohen Temperaturen oder Überladung erzeugt es keine Wärme und bildet keine stark oxidierenden Substanzen wie Lithiumkobaltoxid, daher hat es eine gute Sicherheit. In einigen Berichten wurde darauf hingewiesen, dass beim tatsächlichen Betrieb von Akupunktur- oder Kurzschlussexperimenten bei einem kleinen Teil der Proben ein Verbrennungsphänomen festgestellt wurde, jedoch kein Explosionsereignis auftrat. Im Überladungsexperiment wurde jedoch eine Hochspannungsladung verwendet, die um ein Vielfaches höher war als die eigene Entladungsspannung, und es wurde immer noch ein Explosionsphänomen gefunden. Trotzdem wurde die Überladungssicherheit im Vergleich zu gewöhnlichen Flüssigelektrolyt-Lithium-Kobalt-Batterien erheblich verbessert.

2. Lebensverbesserung

Lithiumeisenphosphatbatterie bezieht sich auf Lithiumionenbatterie mit Lithiumeisenphosphat als positivem Elektrodenmaterial.

Eine lange Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie von etwa 300-mal, die höchste ist die 500-fache, und die mehr als 2000-fache Lebensdauer der Lithiumeisenphosphat-Batterie kann bei der Standardladung (5-Stunden-Rate) das 2000-fache erreichen. Blei-Säure-Batterie der gleichen Qualität ist "neues halbes Jahr, altes halbes Jahr, Wartung und Instandhaltung von einem halben Jahr", die meisten sind 1 ~ 1,5 Jahre, und Lithium-Eisenphosphat-Batterie im gleichen Zustand wird die theoretische Lebensdauer erreichen 7 ~ 8 Jahre. Insgesamt beträgt der Leistungspreis mehr als das Vierfache der theoretischen Blei-Säure-Batterie. Bei einer Entladung mit großem Strom kann es sich um eine schnelle 2C-Schnellladung und -Entladung handeln. Im speziellen Ladegerät kann eine 1,5C-Ladung den Akku innerhalb von 40 Minuten voll machen und einen Startstrom von bis zu 2C erreichen. Blei-Säure-Akkus haben diese Leistung jedoch nicht.

3. Gute Hochtemperaturleistung

Lithiumeisenphosphat kann 350 bis 500 ° C erreichen und der elektrische Peak und Kobaltsäurelithiummangansäurelithium nur bei etwa 200 ° C. Breiter Bereich der Betriebstemperatur (20 c - 75 - c), haben eine hohe Temperaturbeständigkeit Eigenschaften von Lithiumeisenphosphat kann 350 ° C bis 500 ° C erreichen Erwärmungspeak Lithiumkobalt und Lithiummangansäure und Säure nur bei etwa 200 ° C.

4. Große Kapazität

Wenn man den Akku studiert, der oft gefüllt ist, um unter den Arbeitsbedingungen nicht gelöscht zu werden, ist die Kapazität schnell niedriger als die Nennkapazitätswerte. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Nickel-Metall- und Nickel-Cadmium-Batterien haben ein Gedächtnis, während Lithium-Eisenphosphat-Batterien kein solches Phänomen aufweisen. Unabhängig davon, in welchem Zustand sich der Akku befindet, kann er jederzeit aufgeladen und verwendet werden, ohne dass er vor dem Aufladen gelöscht werden muss.

5. Leichtgewichtler

Lithium-Eisenphosphat-Batterien gleicher Größe sind zwei Drittel so groß und ein Drittel so schwer wie Blei-Säure-Batterien.

6, der Umweltschutz

Lithium-Eisenphosphat-Batterien gelten im Allgemeinen als frei von Schwermetallen und seltenen Metallen (Nickel-Metall-Batterien benötigen seltene Metalle), ungiftig (SGS-Zertifizierung) und gemäß den europäischen ROHS-Vorschriften umweltfreundlich für die absolut umweltfreundliche Umwelt Schutzbatterie-Zertifikat. Daher wird die Lithiumbatterie von der Industrie bevorzugt, hauptsächlich aus Umweltgründen. Daher wurde die Batterie während des Zeitraums des "zehnten Fünfjahresplans" in den nationalen High-Tech-Entwicklungsplan "863" aufgenommen und zu einer nationalen Schlüsselunterstützung Entwicklungsprojekt fördern. Mit dem Beitritt Chinas zur WTO werden Chinas Exporte von Elektrofahrrädern rasch zunehmen, während Elektrofahrräder, die in die USA und nach Europa gelangen, mit umweltfreundlichen Batterien ausgestattet werden müssen.

Einige Experten sagen jedoch, dass die durch Blei-Säure-Batterien verursachte Umweltverschmutzung hauptsächlich im nicht standardmäßigen Produktions- und Recyclingprozess auftritt. Ebenso sind Lithiumbatterien gut für die neue Energiewirtschaft, aber sie sind nicht immun gegen Schwermetallverschmutzung. Metallmaterialien wie Blei, Arsen, Cadmium, Quecksilber und Chrom können in Staub und Wasser freigesetzt werden. Die Batterie selbst ist eine chemische Substanz, daher kann es zwei Arten von Verschmutzung geben. Zweitens Batterieverschmutzung nach dem Verschrotten.

Eine Lithiumeisenphosphatbatterie hat auch ihre Nachteile: Beispielsweise ist die Leistung bei niedrigen Temperaturen schlecht, die Vibrationsdichte des positiven Elektrodenmaterials ist gering, das Volumen einer Lithiumeisenphosphatbatterie gleicher Kapazität ist größer als eine Lithiumionenbatterie wie Lithiumkobaltsäure hat keinen Vorteil in der Mikrobatterie. Bei Verwendung in Power-Batterien müssen Lithium-Eisenphosphat-Batterien wie andere Batterien mit dem Problem der Batteriekonsistenz konfrontiert sein.

Nachteile

Ob ein Material Potenzial für die Anwendungsentwicklung hat und sich nicht nur auf seine Vorteile konzentriert, ist kritischer, ob das Material grundlegende Mängel aufweist.

Gegenwärtig wird Lithiumeisenphosphat in China häufig als positives Elektrodenmaterial für dynamische Lithiumionenbatterien verwendet. Marktanalysten der Regierung, wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen, Unternehmen und sogar Wertpapierfirmen sehen dieses Material optimistisch und betrachten es als Entwicklungsrichtung für dynamische Lithium-Ionen-Batterien. Valence und A123 aus den USA verwendeten als erste Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien. Zweitens wurden in China keine Mangansäurelithiummaterialien mit guten Hochtemperaturzyklen und Speicherleistungen für dynamische Lithiumionenbatterien hergestellt. Lithiumeisenphosphat weist jedoch auch grundlegende Mängel auf, die nicht ignoriert werden können und die wie folgt zusammengefasst werden können:

1. Beim Verbrennen der Herstellung von Lithiumeisenphosphat besteht die Möglichkeit, dass das Eisenoxid unter der Hochtemperatur-Reduktionsatmosphäre zum elementaren Eisen reduziert werden kann. Das elementare Eisen ist die tabueste Substanz in der Batterie, da es einen Mikrokurzschluss der Batterie verursachen kann. Dies ist auch der Hauptgrund, warum Japan dieses Material nicht als positives Elektrodenmaterial für dynamische Lithium-Ionen-Batterien verwendet hat.

2. Lithiumeisenphosphat weist einige Leistungsmängel auf, wie z. B. eine geringe Schwingungs- und Verdichtungsdichte, was zu einer geringen Energiedichte der Lithiumionenbatterie führt. Die Niedertemperaturleistung ist schlecht, selbst wenn die NANO-Chemie und die Kohlenstoffbeschichtung das Problem nicht lösen. Das nationale Labor von Argonne, Dr. DonHillebrand, Direktor des Zentrums für Energiespeichersysteme, wenn es um die Leistung von Lithiumeisenphosphatbatterien bei niedrigen Temperaturen geht, ist schrecklich zu beschreiben. Ihre Testergebnisse für Lithiumeisenphosphatlithiumionenbatterien zeigen, dass das Lithium Eisenphosphatbatterie bei niedriger Temperatur (unter 0 ° C) konnte das Elektroauto nicht herstellen. Obwohl einige Hersteller behaupten, dass die Kapazitätserhaltungsrate einer Lithiumeisenphosphatbatterie bei niedriger Temperatur gut ist, ist dies im Fall eines niedrigen Entladestroms und einer niedrigen Abschaltspannung der Fall. In diesem Fall funktioniert das Gerät einfach nicht.

3. Die Materialvorbereitungskosten sind höher als die Herstellungskosten der Batterie, und die Batterieausbeute ist bei schlechter Konsistenz gering. Obwohl der MANO-Maßstab und die Kohlenstoffbeschichtung von Lithiumeisenphosphat die elektrochemischen Eigenschaften des Materials verbessern, bringt dies auch andere Probleme mit sich, wie die Verringerung der Energiedichte, die Erhöhung der Synthesekosten, die schlechte Elektrodenverarbeitungsleistung und die hohen Anforderungen an die Umwelt. Obwohl die chemischen Elemente Li, Fe und P in Lithiumeisenphosphat reichlich vorhanden sind und die Kosten niedrig sind, sind die Produktionskosten des Lithiumeisenphosphatprodukts nicht niedrig. Selbst wenn die anfänglichen Forschungs- und Entwicklungskosten wegfallen, erhöhen die Prozesskosten des Materials zuzüglich der Kosten für die Vorbereitung der Batterie die endgültigen Energiespeicherkosten.

4. Schlechte Produktkonsistenz. Derzeit gibt es in China keine Fabrik für Lithiumeisenphosphat-Materialien, die dieses Problem lösen kann. Unter dem Gesichtspunkt der Materialherstellung ist die Synthesereaktion von Lithiumeisenphosphat eine komplexe heterogene Reaktion, die Festphasenphosphate, Eisenoxide und Lithiumsalze sowie Kohlenstoffvorläufer und reduzierende Gasphase umfasst. Bei diesem komplexen Reaktionsprozess ist es schwierig, die Konsistenz der Reaktion sicherzustellen.

5. Rechte an geistigem Eigentum. Derzeit ist das Grundpatent für Lithiumeisenphosphat im Besitz der Universität von Texas, während das Patent für die Kohlenstoffbeschichtung vom Kanadier angemeldet wird. An diesen beiden Grundpatenten führt kein Weg vorbei, und wenn Lizenzgebühren in den Kosten enthalten sind, steigen die Kosten für das Produkt noch weiter an.

Aufgrund der Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionserfahrung mit Lithium-Ionen-Batterien ist Japan das früheste kommerzialisierte Land für Lithium-Ionen-Batterien und hat den High-End-Markt für Lithium-Ionen-Batterien besetzt. Die Vereinigten Staaten haben, obwohl sie in einigen Grundlagenforschungen führend sind, bisher keinen großen hersteller von lithium-ionen-batterien. Daher ist es für Japan vernünftiger, modifiziertes Mangansäurelithium als positives Elektrodenmaterial für dynamische Lithiumionenbatterien zu wählen. Selbst in den Vereinigten Staaten sind die Hersteller von Lithiumeisenphosphat und Mangansäurelithium als Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien zu 50% aufgeteilt, und die Bundesregierung unterstützt beide Systeme. Angesichts der obigen Probleme, die bei Lithiumeisenphosphat bestehen, ist es schwierig, als positives Elektrodenmaterial für dynamische Lithiumionenbatterien in Fahrzeugen mit neuer Energie und anderen Bereichen weit verbreitet zu sein. Wenn es das Problem eines schlechten Hochtemperaturzyklus und einer schlechten Speicherleistung von Mangansäurelithium lösen kann, hat es aufgrund seiner Vorteile niedriger Kosten und hoher Vergrößerungsleistung ein großes Potenzial für die Anwendung dynamischer Lithiumionenbatterien.

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