Ar nepārtrauktu globālās enerģētikas struktūras pielāgošanu un atjaunojamās enerģijas straujo attīstību,enerģijas uzkrāšanatehnoloģija pakāpeniski kļūst par svarīgu atbalstu enerģijas pārveidošanai un turpmākās ekonomikas attīstības virzītājspēkam.
Ievads enerģijas uzglabāšanas akumulatoru tehnoloģijā
▲Enerģijas pārveide, uzglabāšana un izmantošana
▲Enerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju klasifikācija un pielietojums
▲Pārskats par enerģijas akumulatoriem
▲Enerģijas akumulatoru akumulatoru darbības princips un sastāvs
▲Enerģijas akumulatoru akumulatoru veiktspējas rādītāji un saistītā terminoloģija
Enerģija ir pamatspēks, kas virza pasauli, un galvenais resurss, no kura ir atkarīga cilvēku sabiedrības attīstība. No sākotnējās uguns izmantošanas līdz mūsdienu elektrībai enerģijas attīstība un izmantošana ir virzījusi civilizācijas progresu un veidojusi mūsu pašreizējo sociālo struktūru.
Ar nepārtrauktu globālā enerģijas pieprasījuma pieaugumu un atjaunojamās enerģijas straujo attīstību, enerģijas uzkrāšanas akumulatoru tehnoloģija ir parādījusies un kļuvusi par būtisku enerģētikas nozares pīlāru. Enerģijas uzglabāšanas akumulatori var efektīvi uzglabāt neregulārus enerģijas avotus, piemēram, vēja un saules enerģiju, un atbrīvot tos maksimālā pieprasījuma periodos, nodrošinot strāvas padeves stabilitāti. Šī tehnoloģija ne tikai samazina atkarību no tradicionālās fosilā kurināmā, bet arī sniedz svarīgas garantijas zemu-oglekļa un ilgtspējīgu enerģijas sistēmu izveidei.
Enerģijas uzglabāšanas akumulatoru tehnoloģiju attīstība, sākot no tradicionālajiem svina-skābes akumulatoriem līdz modernām litija-jonu baterijām, un pēc tam līdz jaunām -cietvielu akumulatoriem un nātrija-jonu akumulatoriem, nepārtraukti izlaužas cauri tehnoloģiskajiem šķēršļiem. Uzlabojot enerģijas blīvumu, pagarinot kalpošanas laiku un uzlabojot drošību, enerģijas uzglabāšanas akumulatori ir parādījuši plašas pielietojuma perspektīvas tādās jomās kā mājas enerģijas uzglabāšana, transportēšana un tīkla regulēšana. Var teikt, ka enerģijas uzglabāšanas akumulatoru tehnoloģija ir ne tikai pašreizējās enerģijas struktūras transformācijas atslēga, bet arī nākotnes viedo tīklu un sadalīto enerģijas sistēmu kodols.
Litija{0}}akumulatora enerģijas uzglabāšanas tehnoloģija
▲Litija{0}}jonu akumulatoru uzbūve un darbības princips
▲Litija{0}}jonu akumulatora katoda materiāli
▲Litija{0}}jonu akumulatora anoda materiāli
▲Litija{0}}jonu akumulatora elektrolīts
▲Litija{0}}jonu akumulatoru projektēšana un ražošana
1970. gadā uzņēmums MS Whittingham no ExxonMobil izveidoja pirmo litija-jonu akumulatoru. Viņš izmantoja titāna disulfīdu un metālisko litiju attiecīgi kā pozitīvos un negatīvos elektrodus. Uzlādes un izlādes laikā metāliskais litijs tiek nepārtraukti patērēts un ģenerēts pie negatīvā elektroda, savukārt titāna disulfīds nepārtraukti ievieto un ekstrahē litija jonus pie pozitīvā elektroda. Šie divi procesi ir atgriezeniski visā akumulatora darbības laikā, tādējādi veidojot sekundāru litija -jonu akumulatoru ar 2 V spriegumu. RR Agarwal un JR Selman no Ilinoisas Tehnoloģiju institūta 1982. gadā atklāja, ka litija joniem ir īpašība interkalēties grafītā, kas ir ātrs un atgriezenisks process pētniecības, izstrādes un evolūcijas process. Pateicoties izcilajai un ērtajai veiktspējai, tie arvien vairāk iekļūst dažādās jomās, sākot no 3C produktiem, piemēram, mobilajiem tālruņiem un planšetdatoriem, līdz elektroenerģijas nozarēm, piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem, un liela mēroga enerģijas uzglabāšanas laukiem, piemēram, fotoelementiem un vēja enerģiju, būtiski ietekmējot sociālo dzīvi.
Kas ir akumulators?
▲ Akumulatora izstrādes vēsture
▲ Ievads litija{0}}jonu akumulatoros
▲ Litija{0}}jonu akumulatoru funkcijas
▲ Galvenie materiāli litija{0}}jonu akumulatoros
Akumulators ir enerģijas avota veids. Enerģijas avoti parasti tiek iedalīti fiziskajos un ķīmiskajos enerģijas avotos. Pie fiziskiem enerģijas avotiem pieder saules enerģijas ražošanas ierīces, termoelektriskās enerģijas ražošanas ierīces, siltuma un hidroelektrostacijas ģeneratori utt.; savukārt ķīmiskie enerģijas avoti attiecas uz elektroenerģijas ražošanas ierīcēm, kas var tieši pārvērst ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā, tas ir, ķīmiskās baterijas vispārējā nozīmē vai vienkārši akumulatoros.
Akumulatoru sistēmas ir attīstījušās četrās paaudzēs: svina-skābes akumulatori, niķeļa-kadmija akumulatori, niķeļa-metāla hidrīda akumulatori un litija-jonu akumulatori. Akumulatora veiktspēja ir nepārtraukti uzlabojusies, un cilvēku izpratne par akumulatoru sistēmām ir padziļinājusies. Pašlaik litija{6}}jonu akumulatori ir visefektīvākā un energoefektīvākā-uzlādējamā akumulatoru sistēma, kas pārstāv visaugstāko līmeni cilvēku akumulatoru izpētē un tehnoloģijā.
Litija dzelzs fosfāta materiālu pētniecības un attīstības vēsture
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu attīstības vēsture
▲ Litija dzelzs fosfāta patentu situācija
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu struktūras un veiktspējas pētījumi
Litija dzelzs fosfāts (LiFeP, LFP, zināms arī kā litija dzelzs fosfāts vai litija dzelzs fosfāts) ir katoda materiāls, ko izmanto litija -jonu akumulatoros. To raksturo vērtīgu elementu, piemēram, kobalta un niķeļa, trūkums, zemas izejvielu cenas, kā arī fosfora, litija un dzelzs resursu pārpilnība Zemes garozā, kas spēj apmierināt tirgus pieprasījumu, kas pārsniedz vienu miljonu tonnu gadā. Kā katoda materiālam litija dzelzs fosfātam ir mērens darba spriegums (3,2 V), augsta īpatnējā jauda (170 mA·h/g), augsta izlādes jauda, ātras uzlādes iespēja, ilgs cikla kalpošanas laiks un laba stabilitāte augstā temperatūrā un karstumā.
Ražošanas iekārtas, ko izmanto litija dzelzs fosfāta materiālu ražošanā
▲ Prasības ražošanas iekārtām:;Sajaukšanas iekārtas;Žāvēšanas iekārtas;Saķepināšanas iekārtas,;Drupināšanas iekārtas; Skrīninga aprīkojums; Slāpekļa ģenerators; iepakošanas aprīkojums.
Ja litija{0}}jonu akumulatoru ražošanā tiek izmantoti litija dzelzs fosfāta (LFP) katoda materiāli, prasības attiecībā uz to tīrību, fāzi un piemaisījumiem ir ārkārtīgi stingras. Piemēram, ja divvērtīgā dzelzs oksidācijas pakāpe LFP sasniedz 1%, īpatnējā jauda var samazināties par vairāk nekā 30%. Tas ir tāpēc, ka jaunizveidotais trīsvērtīgais dzelzs pārklāj LFP virsmu, veidojot reaktīvu slāni, kas novērš turpmākas iekšējās reakcijas. Ja LFP jau ir oksidēts, turpmākās reducēšanas metodes nevar dot LFP, jo izejmateriālā esošie litija joni jau ir zaudēti.
Litija dzelzs fosfāta materiālu sagatavošana ar dzelzs oksalāta metodi
▲Sintēzes princips
▲ Galvenās sintētiskās izejvielas
▲ Sintēzes process
▲ Sintētisko materiālu veiktspēja
Litija dzelzs fosfāta sintezēšanas procesu, izmantojot dzelzs oksalātu kā izejvielu, sauc par dzelzs oksalāta metodi (vai vienkārši dzelzs metodi). Pašlaik dzelzs oksalāta metode ir visplašāk izmantotais process un metode Ķīnā, un to izmanto vairāk nekā puse vietējo ražotāju. Tās galvenās priekšrocības ir zemas izejvielu izmaksas, vienkāršs process un viegla sastāvdaļu attiecību kontrole.
Litija dzelzs fosfāta materiālu sagatavošana ar karbotermālo reducēšanu
▲Sintēzes princips
▲ Galvenās sintētiskās izejvielas
▲ Sintēzes process
▲ Sintētisko materiālu veiktspēja
Starp ražotājiem, kas ražo litija dzelzs fosfāta (LiFePO4) materiālus, karbotermālā reducēšanas metode pašlaik ir otrā visplašāk izmantotā tehnoloģija pēc dzelzs oksalāta metodes. Tās galvenā izejviela ir dzelzs dzelzs (Fe2PO4), tostarp dzelzs fosfāts (Fe2PO4) un dzelzs oksīds (Fe2O3). Reakcijas laikā ogleklis (C) un oglekļa monoksīds (C2O3) reducē dzelzs dzelzi (Fe2PO4) par dzelzi (Fe2+), kas pēc tam nonāk kristālrežģī, veidojot litija dzelzs fosfāta (LiFePO4) kristālisko struktūru.
Karbotermālās reducēšanas metodes priekšrocība ir tāda, ka apstrādes laikā nav jāņem vērā izejvielu oksidēšanās; izejvielu apstrādei var izmantot dažādas sajaukšanas metodes, lai sasniegtu vēlamo dispersijas stāvokli. Tikai augstās temperatūras stadijā ogleklis reducē dzelzs dzelzi par dzelzi, veidojot litija dzelzs fosfātu, tāpēc to sauc par karbotermālās reducēšanas metodi. Ar karbotermālo reducēšanas metodi tiek panākta viena-pakāpiena samazināšana, tiek samazināta gāzes izvade un tā ir labvēlīga ražas uzlabošanai. Tajā pašā laikā sintēzes process ir vienkāršs un viegli kontrolējams, kā rezultātā arvien vairāk uzņēmumu izmanto karbotermālās samazināšanas metodi.
Litija dzelzs fosfāta materiālu hidrotermiskā sagatavošana
▲Sintēzes princips
▲ Galvenās sintētiskās izejvielas
▲ Sintēzes process
▲ Sintētisko materiālu veiktspēja
Hidrotermālā metode ir salīdzinoši progresīva metode litija dzelzs fosfāta katoda materiālu sagatavošanai. Tās galvenajā procesā tiek izmantota superkritiskā hidrotermālā sistēma, izšķīdinot ūdenī dzelzs sulfātu, litija hidroksīdu un fosforskābi, uzkarsējot šķīdumu līdz vairāk nekā 100 grādiem noslēgtā vidē, veidojot augstas -temperatūras un augsta spiediena ūdens šķīdumu. Reakcija notiek jonu difūzijas ceļā, radot litija dzelzs fosfāta kristāla daļiņas. Pēc tam tīro litija dzelzs fosfāta materiālu filtrē, žāvē un pārklāj ar oglekli, veidojot litija dzelzs fosfāta/oglekļa kompozītu.
Tradicionālās testēšanas un analīzes metodes litija dzelzs fosfāta materiāliem
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu ķīmiskā sastāva analīzes un testēšanas metodes
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu fizikālo īpašību pārbaudes metodes
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu elektroķīmiskās veiktspējas pārbaudes metodes
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu praktisko pielietojumu novērtējums
Litija dzelzs fosfāta (LFP) materiāliem testēšana ir galvenā tehnoloģija, kas ir vēl svarīgāka par sintēzes procesa kontroli. Bez precīziem un precīziem testēšanas datiem nevar iegūt stabilus procesa apstākļus un tādējādi nevar ražot kvalificētus LFP produktus, kas atbilst lietošanas prasībām. Stingra materiālu pārbaude ir būtiska visā ražošanas procesā, sākot no izejvielu iegūšanas un sintēzes līdz gatavā produkta novērtēšanai. Tāpēc jebkurai vienībai, kas pēta un ražo LFP, liels uzsvars jāliek uz savas testēšanas sistēmas izveidi. Izsmalcinātu testēšanas iekārtu, stingru testēšanas metožu un labi-apmācīta testēšanas personāla izmantošana ir pamatnosacījumi, lai uzņēmums saglabātu savas pozīcijas šajā nozarē.
Citu litija dzelzs fosfāta materiālu raksturīgo īpašību analīze
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu elektroķīmiskās veiktspējas analīze
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu elektronu mikroskopiskā morfoloģijas analīze
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu virsmas enerģija
▲ Dzelzs šķīdības mērīšana litija dzelzs fosfāta materiālos
▲ Litija dzelzs fosfāta materiālu spektroskopiskās īpašības
Litija dzelzs fosfāta materiālu praktiskajā pielietošanā papildus parastajām veiktspējas pārbaudēm ir nepieciešams arī izmērīt dažas specifiskas īpašības, lai sniegtu atsauci materiālu veiktspējas novērtēšanai un akumulatoru ražošanas procesiem. Attīstoties tehnoloģijai, dažus parametrus, kurus iepriekš varēja izmērīt, tikai izmantojot pilnas šūnas, tagad var noteikt, izmantojot vienkāršas metodes. Piemēram, litija dzelzs fosfāta materiālu cikla veiktspēju, jo īpaši oglekļa cikla veiktspēju, tagad var novērtēt, izmantojot īpaši izstrādātas monētu šūnas, ievērojami vienkāršojot mērīšanas procesu.
Akumulatoru ražošanas tehnoloģija, izmantojot litija dzelzs fosfāta materiālus
▲ Litija dzelzs fosfāta akumulatoru sistēmas konstrukcijas specifikācijas
▲ Litija dzelzs fosfāta materiāla vircas sagatavošanas tehnoloģija
▲ Litija dzelzs fosfāta suspensijas pārklāšana
▲ Litija dzelzs fosfāta elektrodu velmēšana
▲ Transformācija un sadalīšana
▲Citi akumulatoru ražošanas piemēri
Jebkuram litija{0}}jonu akumulatoram primārais uzdevums ir sākotnējā konstrukcija. Projektēšanas darbs ietver litija-jonu akumulatora ražošanas procesa noteikšanu. Tā kā akumulatora veiktspēju galvenokārt nosaka elektrodi, elektrodu dizains ir galvenais akumulatora ražošanas procesa aspekts. Tas attiecas arī uz litija dzelzs fosfāta baterijām.
Litija dzelzs fosfāta akumulatoru galvenās pielietojuma jomas
▲ Litija dzelzs fosfāta akumulatoru pielietojums elektrotransporta ierīcēs
▲ Litija dzelzs fosfāta akumulatoru pielietojums enerģijas uzkrāšanas barošanas blokā
▲ Litija dzelzs fosfāta akumulatoru pielietojums elektroinstrumentos
▲ Litija dzelzs fosfāta akumulatoru pielietojums
Litija dzelzs fosfāts (LFP) ir katoda materiāls litija{0}}jonu akumulatoriem, un tā lielākā priekšrocība ir tā augstā drošība. Tam ir arī priekšrocības, ko trūkst litija mangāna oksīda un niķeļa -mangāna-kobalta trīskomponentu materiāliem, piemēram, ilgs cikla kalpošanas laiks, zemas materiālu izmaksas un bagātīgi izejvielu avoti. LFP akumulatoriem ir stabils spriegums, mērens darba spriegums, laba saderība ar elektrolītu sistēmām, tie nav -toksiski, tiem nav atmiņas efekta un tie nepiesārņo vidi. To īpatnējā enerģija var sasniegt 100–130 Wh/kg, kas ir 0,3–5 reizes vairāk nekā svina-skābes akumulatoriem un 1,5 reizes vairāk nekā niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem. Ņemot vērā tās daudzās priekšrocības, tas tiek uzskatīts par ideālu akumulatoru elektriskajiem transportlīdzekļiem, vēja un saules enerģijas uzglabāšanai un drošiem rezerves akumulatoriem lietošanai mājās.
Outlook citiem katoda materiāliem litija{0}}jonu akumulatoriem
▲ Litija vanādija fosfāta katoda materiāls -
▲ Litija mangāna fosfāta katoda materiāls
▲ Litija dzelzs silikāta katoda materiāls
▲ Litija dzelzs borāta katoda materiāls
▲ Litija-bagātīgi slāņveida katoda materiāli
Litija dzelzs fosfāta (LFP) materiālu parādīšanās radīja materiālzinātnes pamatus liela mēroga -litija-jonu akumulatoru plašai izmantošanai.
Kā zināms, litija{0}}jonu akumulatoru drošība vienmēr ir bijusi galvenā un kritiskā problēma, kas ierobežo nozares attīstību. Pat attīstītajās valstīs ar stabilām materiālu īpašībām un sarežģītām apstrādes iekārtām litija -jonu akumulatoru drošību nevar pilnībā garantēt. Ņemot vērā pašreizējo salīdzinoši zemo litija-jonu akumulatoru apstrādes līmeni manā valstī, LFP ir labi-piemērots manas valsts apstākļiem, ievērojami uzlabojot akumulatora drošību.