Über die sieben Vor- und fünf Nachteile der Lithiumeisenphosphatbatterie

Der vollständige Name der Lithiumeisenphosphatbatterie lautet Lithiumeisenphosphatlithiumionenbatterie. Da seine Leistung besonders für Leistungsanwendungen geeignet ist, wird seinem Namen das Wort "Leistung" hinzugefügt, nämlich Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterie. Einige Leute nennen es auch "Lithium-Eisen-Batterie".

Arbeitsprinzip

Die Lithiumeisenphosphatbatterie ist die Lithiumionenbatterie, die Lithiumeisenphosphat als positives Elektrodenmaterial verwendet. Die positiven Elektrodenmaterialien von Lithiumionenbatterien umfassen hauptsächlich Lithiumkobaltoxid, lithiummanganoxid, Lithiumnickeloxid, ternäre Materialien, Lithiumeisenphosphat usw. Unter diesen ist Lithiumkobaltoxid das positive Elektrodenmaterial, das in vielen Lithiumionenbatterien verwendet wird.

Bedeutung

Auf dem Metallhandelsmarkt ist Kobalt (Co) das teuerste Metall, und seine Lagermenge ist gering. Nickel (Ni) und Mangan (Mn) sind relativ billig, während Eisen (Fe) in großer Menge gespeichert wird. Der Preis des Kathodenmaterials stimmt auch mit dem Preis dieser Metalle überein. Daher sollte eine Lithium-Ionen-Batterie aus LiFePO4 als positivem Elektrodenmaterial relativ kostengünstig sein. Ein weiteres Merkmal ist, dass es umweltfreundlich und umweltfreundlich ist.

Die Anforderungen an wiederaufladbare Batterien sind: hohe Kapazität, hohe Ausgangsspannung, gute Lade- und Entladezyklusleistung, stabile Ausgangsspannung, Hochstrom-Laden und -Entladung, elektrochemische Stabilität und sichere Anwendung (keine Überladung, Überentladung und Kurzschluss, die dazu führen können Verbrennung oder Exploration), großer Betriebstemperaturbereich, ungiftig oder weniger giftig, keine Umweltverschmutzung. Eine Lithiumeisenphosphatbatterie, die LiFePO4 als positive Elektrode verwendet, hat eine gute Leistung bei diesen Anforderungen, insbesondere bei hoher Entladungsrate (5 ~ 10 ° C Entladung), stabiler Entladungsspannung, Sicherheit (keine Verbrennung, keine Explosion) und Lebensdauer (Zyklusnummer). Es ist die beste Hochstrom-Ausgangsbatterie und gut für die Umwelt.

Struktur und Arbeitsprinzip

LiFePO4 wird als positive Elektrode der Batterie verwendet. Es ist über Aluminiumfolie mit der positiven Elektrode der Batterie verbunden. In der Mitte befindet sich ein Polymerabscheider. Es trennt die positive Elektrode von der negativen Elektrode, die das Lithiumion passieren kann, das Elektron jedoch nicht. Die rechte Seite besteht aus Kohlenstoff (Graphit). Die negative Elektrode der Batterie ist durch eine Kupferfolie mit der negativen Elektrode der Batterie verbunden. Zwischen dem oberen und unteren Ende der Batterie befindet sich der Elektrolyt der Batterie, und die Batterie ist durch ein Metallgehäuse hermetisch abgedichtet.

Wenn der LiFePO4-Akku geladen wird, wandert das Lithiumion in der positiven Elektrode durch den Polymerabscheider zur negativen Elektrode. Während der Entladeperiode wandert das Lithiumion in der negativen Elektrode durch den Separator zur positiven Elektrode. Lithium-Ionen-Batterien sind nach den Lithium-Ionen benannt, die beim Laden und Entladen hin und her wandern.

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 der positiven und negativen Materialien sowie der Elektrolytmaterialien gibt es auch einige Unterschiede in ihrer Leistung. Beispielsweise weist dasselbe Modell (Standardbatterie mit demselben Paket) einen großen Unterschied in der Batteriekapazität auf (10% bis 20%).

Es sollte hier angemerkt werden, dass Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterien, die von verschiedenen Fabriken hergestellt werden, einige Unterschiede in verschiedenen Leistungsparametern aufweisen können; Darüber hinaus sind einige Batterieleistungen nicht enthalten, z. B. der Innenwiderstand der Batterie, die Selbstentladungsrate, die Lade- und Entladetemperatur usw.

Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterien weisen große Kapazitätsunterschiede auf und können in drei Kategorien unterteilt werden: Die kleine Kapazität liegt unter einem Bruchteil von Milliampere pro Stunde, die mittlere Kapazität erreicht mehrere zehn Milliampere pro Stunde und die große Kapazität liegt über hundert Milliampere pro Stunde. Es gibt einige Unterschiede bei den gleichen Parametern für verschiedene Batterietypen.

Überentladung bis Nullspannungstest:

Die Lithiumeisenphosphat-Leistungsbatterie STL18650 (1100 mAh) wurde für die Prüfung der Überentladung auf Nullspannung verwendet. Testbedingungen: Eine 1100 mAh STL 18650-Batterie wurde mit einer Laderate von 0,5 ° C vollständig aufgeladen und dann mit einer Entladerate von 1,0 ° C entladen, bis die Batteriespannung 0 ° C betrug, und dann die Batterien in 0 V in zwei Gruppen unterteilt: eine ist 7 Tage gelagert, der andere 30 Tage gelagert; Füllen Sie nach Ablauf des Speichers mit einer Laderate von 0,5 ° C und entladen Sie dann mit 1,0 ° C. Vergleichen Sie schließlich die Unterschiede zwischen ihren Nullspannungsspeicherperioden und finden Sie sie heraus.

Das Ergebnis des Tests ist, dass die Batterie nach 7 Tagen Nullspannungsspeicherung keine Leckage aufweist und die Leistung gut ist, die Kapazität 100% beträgt; Nach 30 Tagen Lagerung tritt keine Leckage auf, die Leistung ist gut, die Kapazität beträgt 98%. Nach 30 Tagen Lagerung wird der Akku dreimal aufgeladen und entladen. Die Kapazität wird auf 100% wiederhergestellt.

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

Vorteile der Lithiumeisenphosphatbatterie

1. Verbesserung der Sicherheitsleistung

Die PO-Bindung im Lithiumeisenphosphatkristall ist stabil und schwer zu zersetzen und kollabiert oder erwärmt sich nicht wie ein Lithiumkobaltoxid oder bildet selbst bei hoher Temperatur oder Überladung eine stark oxidierende Substanz, wodurch sie eine gute Sicherheitsleistung aufweist. Es wurde berichtet, dass im tatsächlichen Betrieb festgestellt wurde, dass ein kleiner Teil der Probe beim Akupunktur- oder Kurzschlusstest ein brennendes Phänomen aufwies, aber es gab kein Explosionsereignis. Während des Überladungsexperiments wurde beim Laden mit einer Hochspannung, die um ein Vielfaches höher als die Selbstentladungsspannung war, festgestellt, dass immer noch ein Explosionsphänomen auftrat. Trotzdem wurde die Sicherheitsleistung bei Überladung im Vergleich zu einer herkömmlichen Lithium-Kobaltoxid-Batterie mit flüssigem Elektrolyt erheblich verbessert.

2 . die Verbesserung der Lebensdauer

Die Lithiumeisenphosphatbatterie bezieht sich auf eine Lithiumionenbatterie, die Lithiumeisenphosphat als positives Elektrodenmaterial verwendet.

Die langlebige Blei-Säure-Batterie hat eine etwa 300-fache Lebensdauer und die höchste 500-fache Lebensdauer. Der Lithium-Eisenphosphat-Akku hat eine mehr als 2.000-fache Lebensdauer und die Standardladung (5-Stunden-Rate) kann bis zu 2000-mal verwendet werden. Der Zyklus der Blei-Säure-Batterie gleicher Qualität ist "neues halbes Jahr, altes halbes Jahr, für mehr als ein halbes Jahr nach der Wartung", bis zu 1 ~ 1,5 Jahre, während Lithium-Eisenphosphat-Batterie unter den gleichen theoretischen Bedingungen verwendet wird Das Leben wird 7 ~ 8 Jahre erreichen. Insgesamt ist das Leistungspreisverhältnis theoretisch viermal höher als das von Blei-Säure-Batterien. Hochstromentladung kann mit Hochstrom 2C schnell geladen und entladen werden. Unter dem speziellen Ladegerät kann der Akku bei 1,5 ° C innerhalb von 40 Minuten vollständig aufgeladen werden, und der Startstrom kann 2 ° C erreichen, aber der Blei-Säure-Akku hat keine solche Leistung.

3 . Hochtemperaturleistung

Die Spitzentemperatur von Lithiumeisenphosphat kann 350 ° C bis 500 ° C erreichen, während Lithiummanganat und Lithiumkobaltoxid nur etwa 200 ° C betragen. Mit breitem Betriebstemperaturbereich (-20 ° C - 75 ° C), hoher Temperaturbeständigkeit, Lithiumeisen Phosphat elektrische Erwärmung Spitze bis 350 ° C -500 ° C, während Lithiummanganat und Lithiumkobaltoxid nur um 200 ° C.

4 . grosse Kapazität

Der Akku arbeitet normalerweise unter der Bedingung, dass er häufig vollständig aufgeladen ist, aber ohne Überladung ist seine Kapazität schnell niedriger als die Nennkapazität. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Nickel-Metallhydrid- und Nickel-Cadmium-Batterien haben einen Memory-Effekt, nicht jedoch Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Unabhängig davon, in welchem Zustand sich der Akku befindet, kann er während des Ladevorgangs verwendet und nicht nur nach vollständiger Entladung wieder aufgeladen werden.

6 . Leicht

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

7 . umweltfreundlich

Lithium-Eisenphosphat-Batterien gelten im Allgemeinen als frei von Schwermetallen und seltenen Metallen (Ni-MH-Batterien erfordern seltene Metalle), ungiftig (SGS-zertifiziert), umweltfreundlich, gemäß den europäischen RoHS-Vorschriften - ein absolutes Zertifikat für umweltfreundliche Batterien . Der Grund, warum Lithium-Ionen-Batterien von der Industrie bevorzugt werden, liegt daher in den Umweltaspekten. Daher wurde die Batterie während des „fünfzehnten nationalen Kongresses“ in den nationalen High-Tech-Entwicklungsplan „863“ aufgenommen und ist zu einem nationalen Schlüsselprojekt zur Unterstützung und Förderung geworden. Mit dem Beitritt Chinas zur WTO wird das Exportvolumen von Elektrofahrrädern in China rapide zunehmen, und Elektrofahrräder, die nach Europa und Amerika einreisen, müssen mit umweltfreundlichen Batterien ausgestattet sein.

Einige Experten sagten jedoch, dass die durch Blei-Säure-Batterien verursachte Umweltverschmutzung hauptsächlich im Produktions- und Recyclingprozess von Unternehmen auftrat. Ebenso gehören Lithium-Ionen-Batterien zur neuen Energiewirtschaft, können jedoch das Problem der Schwermetallverschmutzung nicht vermeiden. Blei, Arsen, Cadmium, Quecksilber, Chrom usw. können bei der Verarbeitung von Metallmaterialien in Staub und Wasser freigesetzt werden. Die Batterie selbst ist eine chemische Substanz, daher kann es zwei Arten von Verschmutzung geben: Eine ist das Sediment des Industrieauslasses während des Produktionsprozesses, die andere ist die Batterieverschmutzung nach dem Schrott.

Lithiumeisenphosphatbatterien haben auch ihre Nachteile: Beispielsweise sind eine schlechte Niedertemperaturleistung, eine geringe Abgriffsdichte von positiven Elektrodenmaterialien und die Kapazität von Lithiumeisenphosphatbatterien mit gleicher Kapazität größer als bei Lithiumionenbatterien wie Lithiumkobaltoxid ist bei Mikrobatterien kein Vorteil. Bei Verwendung in einer Power-Batterie muss eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie wie andere Batterien mit Problemen bei der Batteriekonsistenz konfrontiert sein.

Nachteile der Lithiumeisenphosphatbatterie

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

Lithiumeisenphosphat wird in China häufig als positives Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien vom Leistungstyp verwendet. Marktanalysten von Regierungen, wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen, Unternehmen und sogar Wertpapierfirmen sehen dieses Material als Entwicklungsrichtung für Lithium-Ionen-Power-Batterien optimistisch. Es gibt zwei Gründe für diese Situation: Erstens die Auswirkungen der US-amerikanischen Forschungs- und Entwicklungsrichtung - das US-amerikanische Unternehmen Valence und A123 verwendeten erstmals Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Zweitens gibt es keine Herstellung von Lithiummanganatmaterialien mit guten Hochtemperaturzyklen und Lagereigenschaften, die für Lithium-Ionen-Batterien vom Leistungstyp hergestellt werden. Lithiumeisenphosphat weist jedoch auch grundlegende Mängel auf, die nicht ignoriert werden können. Die Hauptpunkte sind wie folgt:

1. Während des Sinterprozesses bei der Herstellung von Lithiumeisenphosphat wird Eisenoxid wahrscheinlich bei hoher Temperatur zu Eisen reduziert. Eisen kann einen Mikrokurzschluss der Batterie verursachen, die die tabueste Substanz in der Batterie ist. Dies ist auch der Hauptgrund, warum Japan dieses Material nicht als positives Elektrodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet hat.

2. Es gibt einige Leistungsmängel in Lithiumeisenphosphat, wie z. B. niedrige Abgriffsdichte und verdichtete Dichte, was zu einer geringen Energiedichte von Lithiumionenbatterien führt. Die Leistung bei niedrigen Temperaturen ist schlecht, auch wenn dieses Problem nach der Nanokristallisation und der Kohlenstoffbeschichtung immer noch nicht gelöst werden kann. Dr. Don Hillebrand, Direktor des Zentrums für Energiespeichersysteme am Argonne National Laboratory, sprach über die Niedertemperaturleistung von Lithiumeisenphosphatbatterien. Er benutzte es schrecklich, um es zu beschreiben. Ihre Testergebnisse für Lithiumeisenphosphatbatterien zeigen, dass Lithiumeisenphosphatbatterien bei niedrigen Temperaturen (unter 0 ° C) nicht in Elektroautos verwendet werden können. Obwohl einige Hersteller behaupten, dass die Lithiumeisenphosphatbatterie bei niedrigen Temperaturen eine gute Kapazitätserhaltungsrate aufweist, handelt es sich um einen kleinen Entladestrom und eine niedrige Entladungs-Abschaltspannung. In dieser Situation kann das Gerät einfach nicht einmal funktionieren.

3. Die Herstellungskosten des Materials und die Herstellungskosten der Batterie sind hoch, die Batterieausbeute ist gering und die Konsistenz ist schlecht. Obwohl die Nanokristallisation und Kohlenstoffbeschichtung von Lithiumeisenphosphat die elektrochemische Leistung des Materials verbessern, bringen sie auch andere Probleme mit sich, wie eine Verringerung der Energiedichte, eine Erhöhung der Synthesekosten, eine schlechte Elektrodenverarbeitungsleistung und umweltschädliche Probleme. Obwohl die chemischen Elemente Li, Fe und P in Lithiumeisenphosphat reichlich vorhanden sind und die Kosten niedrig sind, sind die Kosten des hergestellten Lithiumeisenphosphatprodukts hoch, selbst wenn außer den vorherigen Forschungs- und Entwicklungskosten die Prozesskosten des Materials und Die Kosten für die Vorbereitung der Batterie erhöhen immer noch die Kosten für die letzte Einheit der gespeicherten Energie.

4. Schlechte Produktkonsistenz. Derzeit gibt es keine inländische Fabrik für Lithiumeisenphosphat-Materialien, die dieses Problem lösen kann. Was die Materialherstellung betrifft, so ist die Synthesereaktion von Lithiumeisenphosphat eine komplexe heterogene Reaktion, die Festphasenphosphat, Eisenoxid und Lithiumsalz, einen Kohlenstoffvorläufer und eine reduzierende Gasphase aufweist. Es ist schwierig, die Konsistenz der Reaktion während dieses komplexen Reaktionsprozesses sicherzustellen.

5. Fragen des geistigen Eigentums. Derzeit ist das Grundpatent für Lithiumeisenphosphat im Besitz der University of Texas, und das kohlenstoffbeschichtete Patent wird von Kanadiern angemeldet. Diese beiden Grundpatente können nicht umgangen werden. Wenn die Kosten des Patents berechnet werden, werden die Kosten des Produkts weiter erhöht.

Aufgrund der Erfahrung in Forschung, Entwicklung und Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist Japan das erste kommerzialisierte Land für Lithium-Ionen-Batterien und hat immer den High-End-Markt für Lithium-Ionen-Batterien besetzt. Obwohl die Vereinigten Staaten in einigen Grundlagenforschungen fortgeschritten sind, gibt es noch keinen großen hersteller von lithium-ionen-batterien. Daher ist es für Japan vernünftiger, Lithiummanganat als positives Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenbatterie vom Leistungstyp zu modifizieren. Selbst in den USA werden Lithiumeisenphosphat und Lithiummanganat als Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien vom Leistungstyp verwendet, und die Bundesregierung unterstützt auch die Entwicklung dieser Materialien. Aufgrund der oben genannten Probleme mit Lithiumeisenphosphat ist es schwierig, in großem Umfang als positives Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenbatterie vom Leistungstyp auf dem Gebiet wie neue Energiefahrzeuge verwendet zu werden. Wenn es das Problem des Hochtemperaturzyklus und der schlechten Speicherleistung von Lithiummanganit lösen kann, sich auf die Vorteile niedriger Kosten und hoher Leistung verlassen kann, hat es ein großes Potenzial bei der Anwendung von Lithium-Ionen-Leistungsbatterien.