Globaalin energiarakenteen jatkuvan sopeutumisen ja uusiutuvan energian nopean kehityksen myötäenergian varastointiteknologiasta on vähitellen tulossa tärkeä tuki energian muuntamiselle ja tulevan taloudellisen kehityksen edistämiselle.
Energiavarastoteknologian esittely
▲Energian muuntaminen, varastointi ja käyttö
▲Energian varastointitekniikoiden luokittelu ja soveltaminen
▲Energian varastointiakkujen yleiskatsaus
▲Energiaa varastoivien akkujen toimintaperiaate ja koostumus
▲Energiaa varastoivien akkujen suorituskykyindikaattorit ja niihin liittyvä terminologia
Energia on maailmaa ohjaava perusvoima ja ydinresurssi, josta ihmisyhteiskunnan kehitys on riippuvainen. Tulen alkuperäisestä käytöstä nykyiseen sähköön energian kehitys ja hyödyntäminen on vauhdittanut sivilisaation kehitystä ja muokannut nykyistä yhteiskuntarakennettamme.
Maailmanlaajuisen energian kysynnän jatkuvan kasvun ja uusiutuvan energian nopean kehityksen myötä energiavarastoteknologia on noussut esiin ja siitä on tullut energia-alan keskeinen pilari. Energiaa varastoivat akut voivat tehokkaasti varastoida ajoittaisia energialähteitä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiaa, ja vapauttaa niitä kysyntähuippujen aikana, mikä varmistaa virransyötön vakauden. Tämä tekniikka ei ainoastaan vähennä riippuvuutta perinteisistä fossiilisista polttoaineista, vaan tarjoaa myös tärkeitä takeita vähähiilisen-ja kestävien energiajärjestelmien saavuttamisesta.
Energiaa varastoivien akkujen teknologian kehitys perinteisistä lyijy-happoakuista nykyaikaisiin litium-ioniakkuihin ja sitten uusiin solid-state-akkuihin ja natrium-ioniakkuihin murtaa jatkuvasti teknologisia pullonkauloja. Energiatiheyttä parantamalla, käyttöikää pidentämällä ja turvallisuutta parantamalla energiaa varastoivat akut ovat osoittaneet laajoja käyttömahdollisuuksia esimerkiksi kodin energian varastoinnissa, kuljetuksissa ja verkon säätelyssä. Voidaan sanoa, että energiavarastoteknologia ei ole vain avain nykyiseen energiarakenteen muutokseen, vaan myös tulevaisuuden älykkäiden verkkojen ja hajautettujen energiajärjestelmien ydin.
Litium{0}}pohjainen akkuenergian varastointitekniikka
▲Litium{0}}ioni-akkujen rakenne ja toimintaperiaate
▲Litium{0}}ioni-akun katodimateriaalit
▲Litium{0}}ioni-akun anodimateriaalit
▲Litium{0}}ioni-akun elektrolyytti
▲Litium{0}}ioni-akkujen suunnittelu ja valmistus
Vuonna 1970 ExxonMobilin MS Whittingham loi ensimmäisen litium-ioni-akun. Hän käytti titaanidisulfidia ja metallista litiumia positiivisena ja negatiivisena elektrodina. Latauksen ja purkamisen aikana metallista litiumia kulutetaan ja muodostuu jatkuvasti negatiivisessa elektrodissa, kun taas titaanidisulfidi lisää ja poistaa jatkuvasti litiumioneja positiivisella elektrodilla. Nämä kaksi prosessia ovat palautuvia koko akun käyttöiän ajan, jolloin ne muodostavat toissijaisen litiumioniakun, jonka jännite on 2 V. Vuonna 1982 RR Agarwal ja JR Selman Illinois Institute of Technologysta havaitsivat, että litiumioneilla on ominaisuus interkaloitua grafiitiksi, mikä on nopea ja palautuva prosessi, jonka jännite on 2V. tutkimus-, kehitys- ja kehitysprosessi. Ylivoimaisen ja kätevän suorituskyvyn ansiosta ne tunkeutuvat yhä useammin eri aloille, 3C-tuotteista, kuten matkapuhelimista ja tableteista, sähköenergia-aloihin, kuten sähköajoneuvoihin, ja suuriin{19}}energian varastointikenttiin, kuten aurinkosähköön ja tuulivoimaan, mikä vaikuttaa merkittävästi sosiaaliseen elämään.
Mikä on akku?
▲ Akun kehityshistoria
▲ Litium{0}}ioni-akkujen esittely
▲ Litium-ioni-akkujen ominaisuudet
▲ Litium{0}}ioni-akkujen tärkeimmät materiaalit
Akku on eräänlainen virtalähde. Virtalähteet jaetaan yleensä fyysisiin ja kemiallisiin voimanlähteisiin. Fyysisiä voimanlähteitä ovat aurinkoenergian tuotantolaitteet, lämpösähköiset sähköntuotantolaitteet, lämpö- ja vesivoimageneraattorit jne.; kun taas kemialliset teholähteet viittaavat sähköntuotantolaitteisiin, jotka voivat muuntaa kemiallisen energian suoraan sähköenergiaksi, toisin sanoen kemiallisiksi paristoiksi yleisessä merkityksessä tai yksinkertaisesti akuiksi.
Akkujärjestelmät ovat kehittyneet neljän sukupolven aikana: lyijy-happoakut, nikkeli-kadmiumparistot, nikkeli-metallihydridiakut ja litium-ioniakut. Akun suorituskyky on jatkuvasti parantunut ja ihmisten ymmärrys akkujärjestelmistä on syventynyt. Tällä hetkellä litiumioniakut ovat tehokkain ja energiatehokkain ladattava akku
Litiumrautafosfaattimateriaalien tutkimus- ja kehityshistoria
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien kehityshistoria
▲ Litiumrautafosfaatin patenttitilanne
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien rakenne- ja suorituskykytutkimukset
Litiumrautafosfaatti (LiFeP, LFP, joka tunnetaan myös nimellä litiumrautafosfaatti tai litiumrautafosfaatti) on katodimateriaali, jota käytetään litium-ioni-akuissa. Sille on ominaista arvokkaiden alkuaineiden, kuten koboltin ja nikkelin, puuttuminen, alhaiset raaka-aineiden hinnat sekä runsaat fosfori-, litium- ja rautavarat maankuoressa, jotka voivat vastata markkinoiden kysyntään yli miljoona tonnia vuodessa. Katodimateriaalina litiumrautafosfaatilla on kohtalainen käyttöjännite (3,2 V), korkea ominaiskapasiteetti (170 mA·h/g), suuri purkausteho, nopea latauskyky, pitkä käyttöikä ja hyvä stabiilisuus korkeissa lämpötiloissa ja kuumissa ympäristöissä.
Litiumrautafosfaattimateriaalien valmistukseen käytettävät tuotantolaitteet
▲ Tuotantolaitteistovaatimukset:; Sekoituslaitteet; Kuivauslaitteet; Sintrauslaitteet,; Murskauslaitteet; Seulonta laitteet; Typen generaattori; pakkauslaitteet.
Kun litiumrautafosfaatti (LFP) katodimateriaaleja käytetään litiumioniakkujen valmistuksessa, niiden puhtautta, faasia ja epäpuhtauksia koskevat vaatimukset ovat erittäin tiukat. Esimerkiksi kun kaksiarvoisen raudan hapetusaste LFP:ssä saavuttaa 1 %, ominaiskapasiteetti voi laskea yli 30 %. Tämä johtuu siitä, että äskettäin syntynyt kolmiarvoinen rauta peittää LFP:n pinnan muodostaen reaktiivisen kerroksen, joka estää uudet sisäiset reaktiot. Jos LFP on jo hapetettu, myöhemmät pelkistysmenetelmät eivät voi tuottaa LFP:tä, koska raaka-aineen litiumionit ovat jo kadonneet.
Litiumrautafosfaattimateriaalien valmistus rautaoksalaattimenetelmällä
▲Synteesiperiaate
▲ Pääasialliset synteettiset raaka-aineet
▲Synteesiprosessi
▲ Synteettisten materiaalien suorituskyky
Prosessia, jossa litiumrautafosfaatti syntetisoidaan käyttämällä rautaoksalaattia raaka-aineena, kutsutaan rautaoksalaattimenetelmäksi (tai yksinkertaisesti rautametallimenetelmäksi). Rautaoksalaattimenetelmä on tällä hetkellä Kiinassa laajimmin käytetty prosessi ja menetelmä, ja yli puolet kotimaisista valmistajista käyttää sitä. Sen tärkeimmät edut ovat alhaiset raaka-ainekustannukset, yksinkertainen prosessi ja helppo ainesosien hallinta.
Litiumrautafosfaattimateriaalien valmistus karbotermisellä pelkistyksellä
▲Synteesiperiaate
▲ Pääasialliset synteettiset raaka-aineet
▲Synteesiprosessi
▲ Synteettisten materiaalien suorituskyky
Litiumrautafosfaatti (LiFePO4) -materiaaleja valmistavista valmistajista karboterminen pelkistysmenetelmä on tällä hetkellä toiseksi yleisimmin käytetty tekniikka rautaoksalaattimenetelmän jälkeen. Sen pääraaka-aine on ferrirauta (Fe2PO4), mukaan lukien rautafosfaatti (Fe2PO4) ja rautaoksidi (Fe2O3). Hiili (C) ja hiilimonoksidi (C2O3) pelkistävät reaktion aikana ferriraudan (Fe2PO4) rautaraudaksi (Fe2+), joka sitten menee kidehilaan muodostaen litiumrautafosfaatin (LiFePO4) kiderakenteen.
Karbotermisen pelkistysmenetelmän etuna on, että raaka-aineiden hapettumista ei tarvitse ottaa huomioon käsittelyn aikana; erilaisia sekoitusmenetelmiä voidaan käyttää raaka-aineiden käsittelyyn halutun dispersiotilan saavuttamiseksi. Vain korkean lämpötilan vaiheessa hiili pelkistää ferriraudan rautaraudaksi muodostaen litiumrautafosfaattia, mistä johtuu nimi karboterminen pelkistysmenetelmä. Hiililämpöpelkistysmenetelmällä saavutetaan yksi-vaiheinen vähennys, vähennetään kaasun tuotantoa ja siitä on hyötyä tuoton parantamisessa. Samanaikaisesti synteesiprosessi on yksinkertainen ja helposti hallittavissa, mikä johtaa siihen, että yhä useammat yritykset ottavat käyttöön hiilitermisen pelkistysmenetelmän.
Litiumrautafosfaattimateriaalien hydroterminen valmistus
▲Synteesiperiaate
▲ Pääasialliset synteettiset raaka-aineet
▲Synteesiprosessi
▲ Synteettisten materiaalien suorituskyky
Hydroterminen menetelmä on suhteellisen edistynyt menetelmä litiumrautafosfaattikatodimateriaalien valmistamiseksi. Sen pääprosessissa käytetään ylikriittistä hydrotermistä järjestelmää, joka liuottaa rautasulfaattia, litiumhydroksidia ja fosforihappoa veteen ja lämmittää liuoksen yli 100 asteeseen suljetussa ympäristössä korkean -lämpötilan ja korkeapaineisen-vesiliuoksen muodostamiseksi. Reaktio etenee ionidiffuusiolla, jolloin syntyy litiumrautafosfaattikidehiukkasia. Sen jälkeen puhdas litiumrautafosfaattimateriaali suodatetaan, kuivataan ja hiilellä{6}}päällystetään litiumrautafosfaatti/hiili-komposiitin muodostamiseksi.
Litiumrautafosfaattimateriaalien tavanomaiset testaus- ja analyysimenetelmät
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien kemiallisen koostumuksen analyysi ja testausmenetelmät
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien fysikaalisten ominaisuuksien testausmenetelmät
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien sähkökemialliset suorituskyvyn testausmenetelmät
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien käytännön sovellusten arviointi
Litiumrautafosfaatti (LFP) -materiaalien testaus on ydinteknologia, jopa tärkeämpi kuin synteesiprosessin ohjaus. Ilman tarkkoja ja tarkkoja testaustietoja ei voida saavuttaa vakaita prosessiolosuhteita, eikä siten voida valmistaa hyväksyttyjä LFP-tuotteita, jotka täyttävät käyttövaatimukset. Materiaalien tiukka testaus on välttämätöntä koko tuotantoprosessin ajan raaka-aineiden hankinnasta ja synteesistä valmiin tuotteen arviointiin. Siksi jokaisen LFP:tä tutkivan ja tuottavan yksikön on kiinnitettävä suurta huomiota testausjärjestelmänsä rakentamiseen. Kehittyneiden testauslaitteiden, tiukkojen testausmenetelmien ja hyvin-koulutetun testaushenkilöstön käyttö ovat perusedellytyksiä yritykselle säilyttää asemansa alalla.
Litiumrautafosfaattimateriaalien muiden tunnusomaisten ominaisuuksien analyysi
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien sähkökemiallinen suorituskykyanalyysi
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien elektronimikroskooppinen morfologiaanalyysi
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien pintaenergia
▲ Raudan liukoisuuden mittaus litiumrautafosfaattimateriaaleissa
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalien spektroskooppiset ominaisuudet
Litiumrautafosfaattimateriaalien käytännön sovelluksessa rutiininomaisten suorituskykytestien lisäksi on myös tarpeen mitata joitain erityisominaisuuksia, jotta saadaan referenssi materiaalien suorituskyvyn arviointiin ja akkujen valmistusprosesseihin. Tekniikan kehittymisen myötä jotkin parametrit, jotka aiemmin voitiin mitata vain täydellä kennolla, voidaan nyt määrittää yksinkertaisilla menetelmillä. Esimerkiksi litiumrautafosfaattimateriaalien syklin suorituskykyä, erityisesti hiilisyklin suorituskykyä, voidaan nyt arvioida käyttämällä erityisesti suunniteltuja kolikkokennoja, mikä yksinkertaistaa mittausprosessia huomattavasti.
Akun valmistustekniikka, jossa käytetään litiumrautafosfaattimateriaaleja
▲ Litiumrautafosfaattiakkujärjestelmän suunnittelutiedot
▲ Litiumrautafosfaattimateriaalin lietteen valmistustekniikka
▲ Litiumrautafosfaattilietteen pinnoitus
▲ Litiumrautafosfaattielektrodien rullaus
▲ Transformaatio ja jakautuminen
▲ Muita esimerkkejä akkujen valmistuksesta
Jokaisen litium{0}}ioni-akun ensimmäinen suunnittelu on ensisijainen tehtävä. Suunnitteluun kuuluu litiumioniakun valmistusprosessin määrittäminen. Koska akun suorituskyky määräytyy pääasiassa elektrodien mukaan, elektrodien suunnittelu on akun valmistusprosessin ydin. Tämä koskee myös litiumrautafosfaattiakkuja.
Litiumrautafosfaattiakkujen pääkäyttöalueet
▲ Litiumrautafosfaattiakkujen sovellukset sähkökuljetuksissa
▲ Litiumrautafosfaattiakkujen sovellukset energian varastointivirtalähteessä
▲ Litiumrautafosfaattiakkujen käyttö sähkötyökaluissa
▲ Litiumrautafosfaattiakkujen sovellukset
Litiumrautafosfaatti (LFP) on litium-ioni-akkujen katodimateriaali, ja sen suurin etu on sen korkea turvallisuus. Sillä on myös etuja, joita litiummangaanioksidilta ja nikkeli-mangaani-kobolttikolmiaineilta puuttuu, kuten pitkä käyttöikä, alhaiset materiaalikustannukset ja runsaat raaka-ainelähteet. LFP-akuilla on vakaa jännite, kohtuullinen käyttöjännite, hyvä yhteensopivuus elektrolyyttijärjestelmien kanssa, ne eivät ole myrkyllisiä, niillä ei ole muistivaikutusta eivätkä ne saastuta ympäristöä. Niiden ominaisenergia voi olla 100–130 Wh/kg, mikä on 0,3–5 kertaa lyijyakkujen ja 1,5 kertaa nikkeli{{13}metallihydridiakkujen energiaa. Lukuisten etujensa vuoksi sitä pidetään ihanteellisena akuna sähköajoneuvoihin, tuuli- ja aurinkoenergian varastointiin sekä turvallisiin vara-akkuihin kotikäyttöön.
Outlook muille katodimateriaaleille litium{0}}ioniakuille
▲ Litiumvanadiinifosfaattikatodimateriaali -
▲ Litiummangaanifosfaattikatodimateriaali
▲ Litium-rautasilikaattikatodimateriaali
▲ Litiumrautaboraattikatodimateriaali
▲Litium-runsaasti kerrostetut katodimateriaalit
Litium-rautafosfaattimateriaalien (LFP) ilmaantuminen loi materiaalitieteellisen perustan suurten -litium--ioni-akkujen laajalle leviämiselle.
Kuten hyvin tiedetään, litiumioniakkujen turvallisuus on aina ollut keskeinen ja kriittinen kysymys, joka rajoittaa alan kehitystä. Litium-ioni-akkujen turvallisuutta ei voida täysin taata edes kehittyneissä maissa, joissa on vakaat materiaaliominaisuudet ja kehittyneet prosessointilaitteet. Koska litium-ioniakkujen käsittely maassani on tällä hetkellä suhteellisen alhainen, LFP sopii hyvin-maani kansallisiin olosuhteisiin ja parantaa merkittävästi akun turvallisuutta.