22 Jahre Batterieanpassung

Kennen Sie die sieben Vor- und fünf Nachteile von Lithium-Eisenphosphat-Batterien?

Oct 22, 2019   Seitenansicht:746

Der vollständige Name der Lithiumeisenphosphatbatterie lautet Lithiumeisenphosphatbatterie. Der Name ist zu lang. Lithiumeisenphosphatbatterie wird als Lithiumeisenphosphatbatterie abgekürzt. Da seine Leistung besonders für Leistungsanwendungen geeignet ist, wird dem Namen das Wort "Leistung" hinzugefügt, nämlich Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterie. Andere nennen es "Lithium-Eisen (LiFe) -Batterie".

Arbeitsprinzip

Lithiumeisenphosphatbatterie bezieht sich auf eine Lithiumionenbatterie, die Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet. Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganat, Lithiumnickeloxid, ternäre Materialien und Lithiumeisenphosphat sind die Hauptkathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien. Unter diesen ist Lithiumkobaltoxid das Kathodenmaterial, das in den meisten Lithiumionenbatterien verwendet wird.

Bedeutung

Auf dem Metallmarkt ist Kobalt (Co) am teuersten und hat weniger Speicherkapazität. Nickel (Ni) und Mangan (Mn) sind billiger, während Eisen (Fe) mehr Speicherkapazität hat. Die Preise für Kathodenmaterialien stimmen ebenfalls mit denen dieser Metalle überein. Daher sollten Lithium-Ionen-Batterien aus LiFePO4-Kathodenmaterialien sehr billig sein. Ein weiteres Merkmal ist, dass es umweltfreundlich und umweltfreundlich ist.

Die Anforderungen an wiederaufladbare Batterien sind: hohe Kapazität, hohe Ausgangsspannung, gute Lade-Entladezyklus-Leistung, stabile Ausgangsspannung, Hochstrom-Lade-Entladung, elektrochemische Stabilität, Sicherheit im Gebrauch (keine Verbrennung oder Explosion aufgrund eines unsachgemäßen Betriebs der Überladung zu verursachen , Überentladung und Kurzschluss), breiter Betriebstemperaturbereich, ungiftig oder weniger giftig und keine Umweltverschmutzung. Lithiumeisenphosphat-Batterie mit LiFePO4 als Kathode hat gute Leistungsanforderungen, insbesondere bei Entladung mit hoher Entladungsrate (5-10C-Entladung), stabiler Entladungsspannung, Sicherheit (Nichtverbrennung, Nichtexplosion), Lebensdauer (Zyklusnummer) und ohne Verschmutzung die Umgebung. Es ist derzeit die beste Hochstrom-Ausgangsleistungsbatterie.

Struktur und Arbeitsprinzip

LiFePO4 dient als Pluspol der Batterie. Es ist mit dem Pluspol der Batterie durch Aluminiumfolie und Polymermembran in der Mitte verbunden. Es trennt den positiven Pol vom negativen Pol. Li-Ionen können jedoch durch den Minuspol der Batterie gelangen, elektronische E-Ionen jedoch nicht. Auf der rechten Seite besteht der Minuspol der Batterie aus Kohlenstoff (Graphit), und Kupferfolie ist mit dem Minuspol der Batterie verbunden. Zwischen dem oberen und unteren Ende der Batterie befindet sich der Elektrolyt der Batterie, der von einer Metallhülle abgedichtet und eingekapselt ist.

Wenn die LiFePO4-Batterie geladen wird, wandert das Lithiumion Li in der positiven Elektrode durch die Polymermembran zur negativen Elektrode, und das Lithiumion Li in der negativen Elektrode wandert während der Entladung durch die Membran zur positiven Elektrode. Lithium-Ionen-Batterien sind für die Hin- und Herwanderung von Lithium-Ionen während des Ladens und Entladens benannt.

Hauptleistung

Die Nennspannung der LiFePO4-Batterie beträgt 3,2 V, die Abschlussladespannung beträgt 3,6 V und die Abschlussentladespannung beträgt 2,0 V. Da die Qualität und Technologie der von verschiedenen Herstellern verwendeten positiven und negativen Elektrodenmaterialien und Elektrolytmaterialien unterschiedlich ist, sind ihre Leistungen unterschiedlich. Beispielsweise ist die Kapazität desselben Batterietyps (Standardbatterie mit demselben Paket) sehr unterschiedlich (10% -20%).

Es wird hier darauf hingewiesen, dass es einige Unterschiede in den Leistungsparametern von Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterien gibt, die in verschiedenen Fabriken hergestellt werden. Darüber hinaus sind einige Batterieleistungen nicht enthalten, z. B. der Innenwiderstand der Batterie, die Selbstentladungsrate, die Lade- und Entladetemperatur usw.

Die Kapazität von Lithium-Eisenphosphat-Batterien ist sehr unterschiedlich und kann in drei Kategorien unterteilt werden: kleine Null bis mehrere Milliampere-Stunden, mittlere zehn Milliampere-Stunden und große Hunderte von Milliampere-Stunden. Die gleichen Parameter verschiedener Batterietypen sind ebenfalls unterschiedlich.

Überentladung zum Nullspannungstest:

Die Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterie STL18650 (1100 mAh) wurde verwendet, um die Entladung auf Nullspannung zu testen. Testbedingungen: 1 100 mAh STL18650-Batterie wurde mit einer Laderate von 0,5 ° C gefüllt und dann mit einer Entladerate von 1,0 ° C auf eine Batteriespannung von 0 ° C entladen. Die Batterien sind in zwei Gruppen unterteilt: Eine Gruppe wird 7 Tage gelagert, die andere Gruppe 30 Tage; Nach Ablauf der Lagerung werden die Batterien mit einer Laderate von 0,5 ° C gefüllt und dann mit 1,0 ° C entladen. Schließlich werden die Unterschiede zwischen den beiden Nullspannungsspeicherperioden verglichen.

Die Testergebnisse zeigen, dass die Batterie nach 7 Tagen Nullspannungsspeicherung keine Leckage, gute Leistung und 100% Kapazität aufweist. Nach 30 Tagen Lagerung weist der Akku keine Leckage, gute Leistung und 98% Kapazität auf. Nach 30 Tagen Lagerung hat der Akku drei Lade- und Entladezyklen und die Kapazität wird auf 100% wiederhergestellt.

Dieser Test zeigt, dass selbst wenn die Lithiumeisenphosphatbatterie überladen ist (sogar bis zu 0 V) und für einen bestimmten Zeitraum gelagert wird, die Batterie nicht ausläuft oder beschädigt wird. Dies ist eine Eigenschaft, die andere Arten von Lithium-Ionen-Batterien nicht besitzen.

Vorteil

1. Verbesserung der Sicherheitsleistung

Die PO-Bindung in Lithiumeisenphosphatkristallen ist stabil und schwer zu zersetzen. Selbst bei hohen Temperaturen oder Überladung kollabiert es nicht und erwärmt sich nicht wie Lithiumkobaltoxid oder bildet stark oxidierende Substanzen, sodass es eine gute Sicherheit bietet. Es wurde berichtet, dass eine kleine Anzahl von Proben bei Nadelstich- oder Kurzschlussexperimenten brannte, aber keine Explosion auftrat. In den Überladungsexperimenten wurde die Explosion immer noch gefunden, wenn die Hochspannungsladung verwendet wurde, die um ein Vielfaches größer war als die Entladungsspannung selbst. Trotzdem wurde die Überladungssicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigelektrolyt-Lithium-Kobaltoxid-Batterien erheblich verbessert.

2. Verbesserung der Lebensdauer

Lithiumeisenphosphatbatterie bezieht sich auf eine Lithiumionenbatterie, die Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet.

Die Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien mit langer Lebensdauer beträgt etwa das 300-fache und das Maximum das 500-fache. Die Lebensdauer von Lithium-Eisenphosphat-Akkus beträgt mehr als das 2000-fache, und die Standardladerate (5-Stunden-Rate) kann das 2000-fache erreichen. Die Blei-Säure-Batterien mit der gleichen Qualität sind "neues halbes Jahr, altes halbes Jahr, Wartungshalbjahr" und die maximale Zeit beträgt 1-1,5 Jahre. Die theoretische Lebensdauer von Lithiumeisenphosphatbatterien unter den gleichen Bedingungen wird 7-8 Jahre erreichen. Umfassend betrachtet ist das Verhältnis von Leistung zu Preis theoretisch mehr als viermal so hoch wie das von Blei-Säure-Batterien. Hochstromentladung kann 2C schnell laden und entladen. Unter dem speziellen Ladegerät kann der Akku innerhalb von 40 Minuten nach dem Laden mit 1,5 ° C gefüllt werden. Der Anlaufstrom kann 2 ° C erreichen, aber die Blei-Säure-Batterie hat keine solche Leistung.

3. Gute Hochtemperaturleistung

Der Spitzenwert von Lithiumeisenphosphat kann 350 500 erreichen, während der von Lithiummanganat und Lithiumkobalt nur etwa 200 ° C beträgt. Der Arbeitstemperaturbereich ist breit (-20 ° C bis 75 ° C) und der Spitzenwert von Lithiumeisenphosphat ist hochtemperaturbeständig kann 350-500 (-20C-75C) erreichen, während Lithiummanganat und Lithiumkobaltoxid nur etwa 200 (-20C-75C) sind.

4. Große Kapazität

Das Laden von Batterien funktioniert häufig unter Bedingungen, die voll und unvollendet sind, und ihre Kapazität fällt schnell unter die Nennkapazität. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Zum Beispiel haben Nickel-Wasserstoff- und Nickel-Cadmium-Batterien ein Gedächtnis, aber Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben dieses Phänomen nicht. Unabhängig davon, in welchem Zustand sich die Batterien befinden, können sie während des Ladevorgangs verwendet werden, ohne sie zuerst zu löschen und wieder aufzuladen.

6. Leichtgewicht

Das Volumen der Lithiumeisenphosphatbatterie mit der gleichen Kapazität beträgt 2/3 des Volumens der Blei-Säure-Batterie und das Gewicht 1/3 des Gewichts der Blei-Säure-Batterie.

7, Umweltschutz

Lithium-Eisenphosphat-Batterien enthalten im Allgemeinen keine Schwermetalle und Seltenmetalle (Nickel-Wasserstoff-Batterien benötigen seltene Metalle), sind ungiftig (SGS-Zertifizierung) und umweltfreundlich gemäß den europäischen RoHS-Vorschriften für das Zertifikat für absolute grüne Batterien . Der Grund, warum Lithiumbatterien von der Industrie bevorzugt werden, sind daher hauptsächlich Umweltaspekte. Daher werden die Batterien während des Zeitraums des "Zehnten Fünfjahresplans" in den nationalen High-Tech-Entwicklungsplan "863" aufgenommen, der zu einem nationalen Schlüsselprojekt zur Unterstützung und Förderung der Entwicklung geworden ist. Mit dem Beitritt Chinas zur WTO wird das Exportvolumen chinesischer Elektrofahrräder rapide zunehmen, und die Elektrofahrräder, die nach Europa und Amerika einreisen, müssen mit umweltfreundlichen Batterien ausgestattet werden.

Einige Experten sagen jedoch, dass die durch Blei-Säure-Batterien verursachte Umweltverschmutzung hauptsächlich im nicht standardmäßigen Produktions- und Recyclingprozess des Unternehmens auftritt. Ebenso sind Lithiumbatterien in der neuen Energiebranche gut, aber sie können das Problem der Schwermetallverschmutzung nicht vermeiden. Blei, Arsen, Cadmium, Quecksilber und Chrom können während der Metallverarbeitung in Staub und Wasser freigesetzt werden. Die Batterie selbst ist eine Art chemische Substanz, daher kann sie zwei Arten von Verschmutzung verursachen: Eine ist die Prozessverschmutzungen in der Produktionstechnik; Das andere ist die Batterieverschmutzung nach dem Verschrotten.

Lithiumeisenphosphatbatterien weisen auch einige Nachteile auf, wie eine schlechte Leistung bei niedriger Temperatur, eine geringe Verdichtungsdichte von Kathodenmaterialien, ein größeres Volumen an Lithiumeisenphosphatbatterien mit gleicher Kapazität als Lithiumkobaltoxidbatterien, so dass sie bei Mikrobatterien keine Vorteile haben . Bei Power-Batterien müssen Lithium-Eisenphosphat-Batterien wie andere Batterien mit dem Problem der Batteriekonsistenz konfrontiert sein.

Lithium-Eisenphosphat-Batterie

Mangel

Ob ein Material das Potenzial zur Anwendung und Entwicklung hat, ist neben der Berücksichtigung seiner Vorteile umso entscheidender, ob das Material grundlegende Mängel aufweist.

Gegenwärtig wird Lithiumeisenphosphat in China häufig als Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien verwendet. Marktanalysten von Regierungen, Forschungsinstituten, Unternehmen und sogar Wertpapierfirmen nehmen dieses Material als Entwicklungsrichtung für Lithium-Ionen-Power-Batterien. Dafür gibt es zwei Hauptgründe: Erstens verwendeten Valence und A123 Company in den USA, beeinflusst von der Richtung der Forschung und Entwicklung in den USA, erstmals Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien. Zweitens wurden in China keine Lithium-Manganat-Materialien mit guten Hochtemperaturzyklen und Speicherleistungen für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien hergestellt. Lithiumeisenphosphat weist jedoch auch einige grundlegende Mängel auf, die nicht ignoriert werden können. Zusammenfassend gibt es folgende Punkte:

1. Beim Sinterprozess der Lithiumeisenphosphat-Herstellung besteht die Möglichkeit, dass Eisenoxid unter einer Hochtemperatur-Reduktionsatmosphäre zu elementarem Eisen reduziert wird. Eisen ist die tabueste Substanz in Batterien, die einen Kurzschluss der Batterien verursachen kann. Dies ist auch der Hauptgrund, warum Japan dieses Material nicht als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien verwendet hat.

2. Es gibt einige Leistungsmängel in Lithiumeisenphosphat, wie z. B. niedrige Verdichtungsdichte und Verdichtungsdichte, was zu einer geringen Energiedichte von Lithiumionenbatterien führt. Die Leistung bei niedrigen Temperaturen ist schlecht, selbst wenn sie nanoskalig und kohlenstoffbeschichtet ist, löst sie dieses Problem nicht. Dr. Don Hillebrand, Direktor des Energiespeichersystemzentrums des Argonne National Laboratory, sprach über die Niedrigtemperaturleistung von Lithiumeisenphosphatbatterien, die er als schrecklich bezeichnete. Ihre Testergebnisse mit Lithiumeisenphosphatbatterien zeigten, dass Lithiumeisenphosphatbatterien Elektrofahrzeuge bei niedrigen Temperaturen (unter 0 ° C) nicht antreiben konnten. Obwohl einige Hersteller behaupten, dass die Kapazitätserhaltungsrate von Lithiumeisenphosphatbatterien bei niedriger Temperatur gut ist, ist dies bei niedrigem Entladestrom und niedriger Abschaltspannung der Fall. In diesem Fall kann das Gerät einfach nicht mit der Arbeit beginnen.

3. Die Kosten für die Materialvorbereitung sind höher als die für die Batterieherstellung, und die Ausbeute an Batterie ist geringer und die Konsistenz ist schlecht. Obwohl die Nanokristallisation und die Kohlenstoffbeschichtung von Lithiumeisenphosphat die elektrochemischen Eigenschaften der Materialien verbessern, bringen sie auch andere Probleme mit sich, wie die Verringerung der Energiedichte, die Erhöhung der Synthesekosten, die schlechte Verarbeitungsleistung der Elektroden und strenge Umweltanforderungen. Obwohl die chemischen Elemente Li, Fe und P in Lithiumeisenphosphat reichlich vorhanden sind und die Kosten niedrig sind, sind die Kosten für Lithiumeisenphosphatprodukte nicht niedrig. Selbst wenn die Kosten für frühere Forschung und Entwicklung wegfallen, erhöhen die Prozesskosten dieses Materials zuzüglich der Kosten für die Herstellung von Batterien die Kosten für die endgültige Energiespeichereinheit.

4. Die Produktkonsistenz ist schlecht. Derzeit gibt es in China keine Fabrik für Lithiumeisenphosphat-Materialien, um dieses Problem zu lösen. Unter dem Gesichtspunkt der Materialherstellung ist die Synthese von Lithiumeisenphosphat eine komplexe Mehrphasenreaktion, die Festphasenphosphat, Eisenoxide und Lithiumsalze, Vorläufer der Kohlenstoffzugabe und reduktive Dampfphase 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 University of Texas in den USA, während das kohlenstoffbeschichtete Patent von Kanadiern angemeldet wird. Diese beiden Grundpatente können nicht umgangen werden. Wenn die Lizenzgebühr in den Kosten berechnet wird, werden die Kosten des Produkts weiter erhöht.

Aufgrund der Erfahrung in Forschung, Entwicklung und Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist Japan das erste Land, das Lithium-Ionen-Batterien vermarktet, und hat den High-End-Markt für Lithium-Ionen-Batterien besetzt. Obwohl die USA in einigen Grundlagenforschungen führend sind, gibt es bisher keinen großen hersteller von lithium-ionen-batterien. Daher ist es für Japan vernünftiger, modifiziertes Lithiummanganat als Kathodenmaterial für Leistungslithiumionenbatterien zu wählen. Selbst in den USA machen die Hersteller, die Lithiumeisenphosphat und Lithiummanganat als Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien verwenden, die Hälfte der Gesamtmenge aus. Die Bundesregierung unterstützt auch die Entwicklung beider Systeme. Angesichts der obigen Probleme von Lithiumeisenphosphat ist es schwierig, als Kathodenmaterial für Leistungslithiumionenbatterien in Kraftfahrzeugen mit neuer Energie und anderen Bereichen weit verbreitet zu sein. Wenn Lithiummanganat das Problem eines schlechten Hochtemperaturzyklus und einer schlechten Speicherleistung lösen kann, hat es ein großes Potenzial bei der Anwendung von Lithium-Ionen-Leistungsbatterien mit den Vorteilen niedriger Kosten und hoher Leistung.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.

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