Уз континуирано прилагођавање глобалне енергетске структуре и брз развој обновљиве енергије,складиште енергијетехнологија постепено постаје важна подршка енергетској трансформацији и покретању будућег економског развоја.
Увод у технологију батерија за складиштење енергије
▲Конверзија, складиштење и коришћење енергије
▲Класификација и примена технологија складиштења енергије
▲Преглед батерија за складиштење енергије
▲Принцип рада и састав батерија за складиштење енергије
▲Индикатори перформанси и сродна терминологија батерија за складиштење енергије
Енергија је основна сила која покреће свет и основни ресурс од којег зависи развој људског друштва. Од првобитне употребе ватре до данашње електричне енергије, развој и коришћење енергије покренули су напредак цивилизације и обликовали нашу тренутну друштвену структуру.
Уз континуирани раст глобалне потражње за енергијом и брз развој обновљиве енергије, технологија батерија за складиштење енергије се појавила и постала кључни стуб енергетског сектора. Батерије за складиштење енергије могу ефикасно складиштити повремене изворе енергије као што су енергија ветра и сунца и ослобађати их током периода највеће потражње, обезбеђујући стабилност напајања. Ова технологија не само да смањује зависност од традиционалних фосилних горива, већ такође пружа важне гаранције за постизање ниско-угљеничних и одрживих енергетских система.
Развој технологије батерија за складиштење енергије, од традиционалних оловних{0}}киселинских батерија до савремених литијум{1}}јонских батерија, а затим до нових-чврстих{2}}батерија и натријум{3}}јонских батерија, непрестано пробија технолошка уска грла. Побољшањем густине енергије, продужењем животног века и повећањем безбедности, батерије за складиштење енергије показале су широке изгледе за примену у областима као што су складиштење енергије код куће, транспорт и регулација мреже. Може се рећи да технологија батерија за складиштење енергије није само кључна за тренутну трансформацију енергетске структуре, већ и језгро будућих паметних мрежа и дистрибуираних енергетских система.
Технологија складиштења енергије батерија заснована на литијум{0}}у
▲Структура и принцип рада литијум{0}}јонских батерија
▲Катодни материјали за литијум{0}јонске батерије
▲Материјали аноде за литијум{0}јонске батерије
▲Електролит литијум{0}јонске батерије
▲Дизајн и производња литијум{0}јонских батерија
Године 1970, МС Вхиттингхам из ЕкконМобил-а направио је прву литијум{3}}јонску батерију. Користио је титанијум дисулфид и метални литијум као позитивне и негативне електроде, респективно. Током пуњења и пражњења, метални литијум се континуирано троши и ствара на негативној електроди, док титанијум дисулфид континуирано убацује и извлачи литијум јоне на позитивној електроди. Ова два процеса су реверзибилна током читавог животног века батерије, чиме се формира секундарна литијум{7}}јонска батерија са напоном од 2В. 1982. године, РР Агарвал и ЈР Селман са Технолошког института Илиноиса открили су да литијум јони имају својство интеркалације у графит, процес који је брз и реверзибилан у почетној фази... прошао кроз процес истраживања, развоја и еволуције. Са својим супериорним и практичним перформансама, они све више продиру у различита поља, од 3Ц производа попут мобилних телефона и таблета до енергетских сектора као што су електрична возила и великих{19}}поља за складиштење енергије као што су фотонапон и енергија ветра, значајно утичући на друштвени живот.
Шта је батерија?
▲ Историја развоја батерије
▲Увод у литијум{0}}ионске батерије
▲Карактеристике литијум{0}}јонских батерија
▲Кључни материјали у литијум{0}}јонским батеријама
Батерија је врста извора напајања. Извори енергије се генерално деле на физичке изворе енергије и хемијске изворе енергије. Физички извори енергије укључују уређаје за производњу соларне енергије, термоелектричне уређаје за производњу енергије, термо и хидроелектричне генераторе итд.; док се хемијски извори енергије односе на уређаје за производњу електричне енергије који могу директно да претварају хемијску енергију у електричну енергију, односно хемијске батерије у општем смислу, или једноставно батерије.
Системи батерија су еволуирали кроз четири генерације: оловне-киселинске батерије, никл-кадмијумске батерије, никл-метал-хидридне батерије и литијум-јонске батерије. Перформансе батерије се стално побољшавају, а људско разумевање система батерија се продубљује. Тренутно, литијум{6}}јонске батерије су најефикаснији и енергетски{7}}најефикаснији систем пуњивих батерија, који представљају највиши ниво истраживања и технологије људских батерија.
Истраживање и развој Историја литијум гвожђе фосфатних материјала
▲ Историја развоја материјала литијум гвожђе фосфата
▲ Патентна ситуација литијум гвожђе фосфата
▲ Студије структуре и перформанси материјала литијум гвожђе фосфата
Литијум гвожђе фосфат (ЛиФеП, ЛФП, познат и као литијум гвожђе фосфат или литијум гвожђе фосфат) је катодни материјал који се користи у литијум{0}}јонским батеријама. Карактерише га одсуство драгоцених елемената као што су кобалт и никл, ниске цене сировина и обиље ресурса фосфора, литијума и гвожђа у Земљиној кори, који могу задовољити тржишну потражњу која прелази милион тона годишње. Као катодни материјал, литијум гвожђе фосфат има умерен радни напон (3,2В), висок специфични капацитет (170мА·х/г), велику снагу пражњења, могућност брзог пуњења, дуг животни век и добру стабилност при високим температурама и високим температурама.
Производна опрема која се користи у производњи литијум гвожђе фосфатних материјала
▲ Захтеви за производну опрему:;Опрема за мешање;Опрема за сушење;Опрема за синтеровање,;Опрема за дробљење; Сцреенинг Екуипмент; Генератор азота; Опрема за паковање.
Када се катодни материјали од литијум гвожђе фосфата (ЛФП) користе у производњи литијум{0}}јонских батерија, захтеви за њихову чистоћу, фазу и нечистоће су изузетно строги. На пример, када степен оксидације двовалентног гвожђа у ЛФП-у достигне 1%, специфични капацитет може да се смањи за више од 30%. То је зато што новогенерисано тровалентно гвожђе облаже површину ЛФП-а, формирајући реактивни слој који спречава даље унутрашње реакције. Ако је ЛФП већ оксидован, накнадне методе редукције не могу дати ЛФП јер су литијум јони у сировом материјалу већ изгубљени.
Припрема литијум-гвожђе-фосфатних материјала методом гвожђе-оксалата
▲Принцип синтезе
▲ Главне синтетичке сировине
▲ Процес синтезе
▲Перформансе синтетичких материјала
Процес синтезе литијум гвожђе фосфата коришћењем жељезног оксалата као сировине назива се метода гвожђе оксалата (или једноставно метода гвожђа). Тренутно је метода жељезног оксалата најраспрострањенији процес и метода у Кини, а користи је више од половине домаћих произвођача. Његове главне предности су ниски трошкови сировина, једноставан процес и лака контрола односа састојака.
Припрема литијум гвожђе фосфатних материјала карботермалном редукцијом
▲Принцип синтезе
▲ Главне синтетичке сировине
▲ Процес синтезе
▲Перформансе синтетичких материјала
Међу произвођачима који производе литијум-гвожђе-фосфатне (ЛиФеПО4) материјале, метода карботермалне редукције је тренутно друга најшире коришћена технологија после методе гвожђе-оксалата. Његова главна сировина је гвожђе гвожђе (Фе2ПО4), укључујући гвожђе фосфат (Фе2ПО4) и оксид гвожђа (Фе2О3). Током реакције, угљеник (Ц) и угљен моноксид (Ц2О3) редукују фери гвожђе (Фе2ПО4) у гвожђе (Фе2+), које затим улази у кристалну решетку, формирајући кристалну структуру литијум гвожђе фосфата (ЛиФеПО4).
Предност методе карботермалне редукције је у томе што се оксидација сировина не мора узети у обзир током обраде; разне методе мешања могу се користити за обраду сировина да би се постигло жељено дисперзионо стање. Само у фази високе температуре угљеник редукује фери гвожђе у феро гвожђе, формирајући литијум гвожђе фосфат, отуда и назив карботермалне редукције. Метода карботермалне редукције постиже редукцију у једном-корак, смањује излаз гаса и корисна је за побољшање приноса. Истовремено, процес синтезе је једноставан и лак за контролу, што доводи до све већег броја компанија које усвајају методу карботермалне редукције.
Хидротермална припрема литијум гвожђе фосфатних материјала
▲Принцип синтезе
▲ Главне синтетичке сировине
▲ Процес синтезе
▲Перформансе синтетичких материјала
Хидротермална метода је релативно напредна метода за припрему литијум гвожђе-фосфатних катодних материјала. Његов главни процес користи суперкритични хидротермални систем, растварајући гвожђе сулфат, литијум хидроксид и фосфорну киселину у води, загревајући раствор на преко 100 степени у затвореном окружењу да би се формирао водени раствор високе{2}}температуре и високог-притиска. Реакција се одвија кроз јонску дифузију, стварајући кристалне честице литијум гвожђе фосфата. Материјал од чистог литијум гвожђе фосфата се затим филтрира, суши и облаже угљеником- да би се формирао композит литијум гвожђе фосфат/угљеник.
Конвенционалне методе испитивања и анализе материјала литијум гвожђе фосфата
▲ Анализа хемијског састава и методе испитивања литијум-гвожђе-фосфатних материјала
▲ Методе испитивања физичких својстава за материјале литијум гвожђе фосфата
▲ Методе испитивања електрохемијских перформанси за материјале од литијум гвожђе фосфата
▲Евалуација практичне примене материјала литијум гвожђе фосфата
За материјале од литијум гвожђе фосфата (ЛФП), тестирање је основна технологија, чак важнија од контроле процеса синтезе. Без прецизних и тачних података о испитивању, не могу се добити стабилни процесни услови, а самим тим ни квалификовани ЛФП производи који испуњавају услове коришћења не могу да се произведу. Ригорозно тестирање материјала је неопходно током целог производног процеса, од набавке сировина и синтезе до процене готовог производа. Стога, свака јединица која истражује и производи ЛФП мора ставити велики нагласак на изградњу свог система за тестирање. Коришћење софистициране опреме за тестирање, ригорозних метода тестирања и добро{4}}обученог особља за тестирање су основни услови да компанија задржи своју позицију у индустрији.
Анализа осталих карактеристичних особина литијум гвожђе фосфатних материјала
▲ Анализа електрохемијских перформанси литијум гвожђе фосфатних материјала
▲Електронско микроскопска морфолошка анализа материјала литијум гвожђе фосфата
▲Површинска енергија материјала литијум гвожђе фосфата
▲Мерење растворљивости гвожђа у материјалима литијум гвожђе фосфата
▲Спектроскопске карактеристике материјала литијум гвожђе фосфата
У практичној примени материјала од литијум гвожђе фосфата, поред рутинских тестова перформанси, такође је неопходно измерити нека специфична својства како би се обезбедила референца за процену перформанси материјала и процесе производње батерија. Са напретком технологије, неки параметри који су се раније могли мерити само помоћу пуних ћелија сада се могу одредити једноставним методама. На пример, перформансе циклуса материјала литијум гвожђе фосфата, посебно перформансе циклуса угљеника, сада се могу проценити коришћењем посебно дизајнираних ћелија за новчиће, што у великој мери поједностављује процес мерења.
Технологија производње батерија коришћењем материјала литијум гвожђе фосфата
▲ Спецификације дизајна система литијум гвожђе фосфатних батерија
▲ Технологија припреме суспензије материјала литијум гвожђе фосфата
▲Превлачење суспензије литијум гвожђе фосфата
▲ Котрљање електрода од литијум гвожђе фосфата
▲Трансформација и подела
▲Други примери производње батерија
За било коју литијум{0}}јонску батерију, почетни дизајн је примарни задатак. Рад на пројектовању укључује одређивање процеса производње литијум{2}}јонске батерије. Пошто перформансе батерије углавном одређују електроде, дизајн електрода је кључни аспект процеса производње батерије. Ово важи и за литијум-гвожђе-фосфатне батерије.
Главне области примене литијум гвожђе фосфатних батерија
▲Примена литијум гвожђе фосфатних батерија у електричним транспортним уређајима
▲Примена литијум-гвожђе-фосфатних батерија у напајању за складиштење енергије
▲Примена литијум-гвожђе-фосфатних батерија у електричним алатима
▲ Примене литијум гвожђе фосфатних батерија
Литијум гвожђе фосфат (ЛФП) је катодни материјал за литијум{0}}јонске батерије, а његова највећа предност је висока безбедност. Такође поседује предности које недостају литијум-манган оксиду и никл-манган-кобалту тернарним материјалима, као што су дуг животни век, ниска цена материјала и обилни извори сировина. ЛФП батерије имају стабилан напон, умерен радни напон, добру компатибилност са системима електролита, нису-токсичне, немају меморијски ефекат и не загађују животну средину. Њихова специфична енергија може да достигне 100–130 Вх/кг, што је 0,3–5 пута више од оловних-киселинских батерија и 1,5 пута више од никл-метал-хидридних батерија. С обзиром на бројне предности, сматра се идеалном батеријом за електрична возила, складиштење енергије ветра и сунца, као и безбедне резервне батерије за кућну употребу.
Оутлоок за друге катодне материјале за литијум{0}}јонске батерије
▲катода од литијум-ванадијум фосфата -
▲ Материјал катоде од литијум манган фосфата
▲ Материјал катоде од литијум-гвозденог силиката
▲ Материјал катоде од литијум гвожђе бората
▲литијум{0}}богати слојевити катодни материјали
Појава литијум-гвожђе-фосфатних (ЛФП) материјала је поставила темеље науке о материјалима за широку примену-литијум{1}}јонских батерија великих размера.
Као што је познато, безбедност литијум{0}}јонских батерија је увек била суштинско и критично питање које је ограничавало развој индустрије. Чак иу развијеним земљама са стабилним својствима материјала и софистицираном опремом за обраду, безбедност литијум{2}}јонских батерија не може бити у потпуности гарантована. С обзиром на тренутни релативно низак ниво обраде литијум{4}јонских батерија у мојој земљи, ЛФП је добро-прилагођен националним условима моје земље, значајно побољшавајући безбедност батерије.