Con il continuo aggiustamento della struttura energetica globale e il rapido sviluppo delle energie rinnovabili,accumulo di energiala tecnologia sta gradualmente diventando un importante supporto per la trasformazione energetica e per guidare lo sviluppo economico futuro.
Introduzione alla tecnologia delle batterie per l'accumulo di energia
▲Conversione, stoccaggio e utilizzo dell'energia
▲Classificazione e applicazione delle tecnologie di accumulo dell'energia
▲Panoramica delle batterie per l'accumulo di energia
▲Principio di funzionamento e composizione delle batterie per l'accumulo di energia
▲Indicatori di prestazione e relativa terminologia delle batterie di accumulo di energia
L’energia è la forza fondamentale che guida il mondo e una risorsa fondamentale da cui dipende lo sviluppo della società umana. Dall'uso iniziale del fuoco all'elettricità di oggi, lo sviluppo e l'utilizzo dell'energia hanno dato impulso al progresso della civiltà e modellato la nostra attuale struttura sociale.
Con la continua crescita della domanda globale di energia e il rapido sviluppo delle energie rinnovabili, la tecnologia delle batterie di accumulo energetico è emersa ed è diventata un pilastro cruciale del settore energetico. Le batterie di accumulo dell’energia possono immagazzinare in modo efficace fonti energetiche intermittenti come l’energia eolica e solare e rilasciarle durante i periodi di punta della domanda, garantendo la stabilità dell’alimentazione elettrica. Questa tecnologia non solo riduce la dipendenza dai combustibili fossili tradizionali, ma fornisce anche importanti garanzie per il raggiungimento di sistemi energetici sostenibili e a basse- emissioni di carbonio.
Lo sviluppo della tecnologia delle batterie per l'accumulo di energia, dalle tradizionali batterie al piombo-acido alle moderne batterie agli ioni di litio-, fino alle emergenti batterie-allo stato solido e alle batterie agli ioni di sodio-, supera costantemente i colli di bottiglia tecnologici. Migliorando la densità energetica, estendendo la durata della vita e migliorando la sicurezza, le batterie per l’accumulo di energia hanno mostrato ampie prospettive di applicazione in settori quali lo stoccaggio dell’energia domestica, i trasporti e la regolamentazione della rete. Si può affermare che la tecnologia delle batterie di accumulo dell’energia non è solo fondamentale per l’attuale trasformazione della struttura energetica, ma anche il nucleo delle future reti intelligenti e dei sistemi energetici distribuiti.
Tecnologia di accumulo dell'energia della batteria-basata al litio
▲Struttura e principio di funzionamento delle batterie agli ioni di litio-
▲Materiali catodici per batterie agli ioni di litio-
▲Materiali anodici per batterie agli ioni di litio-
▲Elettrolita della batteria agli ioni di litio-
▲Progettazione e produzione di batterie agli ioni di litio-
Nel 1970, MS Whittingham della ExxonMobil creò la prima batteria agli ioni di litio-. Ha usato il disolfuro di titanio e il litio metallico rispettivamente come elettrodi positivi e negativi. Durante la carica e la scarica, il litio metallico viene continuamente consumato e generato sull'elettrodo negativo, mentre il disolfuro di titanio inserisce ed estrae continuamente ioni di litio sull'elettrodo positivo. Questi due processi sono reversibili per tutta la durata della batteria, formando così una batteria secondaria agli ioni di litio- con una tensione di 2 V. Nel 1982, RR Agarwal e JR Selman dell'Illinois Institute of Technology scoprirono che gli ioni di litio hanno la proprietà di intercalarsi nella grafite, un processo rapido e reversibile... Sin dal suo inizio, le batterie agli ioni di litio- sono state sottoposte a un processo di ricerca, sviluppo ed evoluzione. Con le loro prestazioni superiori e convenienti, stanno penetrando sempre più in vari campi, dai prodotti 3C come telefoni cellulari e tablet ai settori dell'energia elettrica come i veicoli elettrici e ai campi di stoccaggio dell'energia su larga scala-come il fotovoltaico e l'energia eolica, con un impatto significativo sulla vita sociale.
Cos'è una batteria?
▲Cronologia dello sviluppo della batteria
▲Introduzione alle batterie agli ioni di litio-
▲Caratteristiche delle batterie agli ioni di litio-
▲Materiali chiave nelle batterie agli ioni di litio-
Una batteria è un tipo di fonte di alimentazione. Le fonti di energia sono generalmente suddivise in fonti di energia fisiche e fonti di energia chimiche. Le fonti di energia fisica includono dispositivi di generazione di energia solare, dispositivi di generazione di energia termoelettrica, generatori termici e idroelettrici, ecc.; mentre per fonti di energia chimica si intendono i dispositivi di generazione di energia in grado di convertire direttamente l'energia chimica in energia elettrica, cioè le batterie chimiche in senso generale, o semplicemente le batterie.
I sistemi di batterie si sono evoluti attraverso quattro generazioni: batterie al piombo-acido, batterie al nichel-cadmio, batterie al nichel-metallo idruro e batterie agli ioni di litio-. Le prestazioni delle batterie sono costantemente migliorate e la comprensione umana dei sistemi di batterie è migliorata. Attualmente, le batterie agli ioni di litio-sono il sistema di batterie ricaricabili più efficiente ed efficiente dal punto di vista energetico-e rappresentano il livello più alto di ricerca e tecnologia sulle batterie umane.
Storia della ricerca e dello sviluppo dei materiali al litio ferro fosfato
▲ Storia dello sviluppo dei materiali al fosfato di litio ferro
▲ Situazione brevettuale del fosfato di litio ferro
▲Studi strutturali e prestazionali di materiali al fosfato di litio ferro
Il litio ferro fosfato (LiFeP, LFP, noto anche come litio ferro fosfato o litio ferro fosfato) è un materiale catodico utilizzato nelle batterie agli ioni di litio-. È caratterizzato dall'assenza di elementi preziosi come cobalto e nichel, dai bassi prezzi delle materie prime e dall'abbondanza di risorse di fosforo, litio e ferro nella crosta terrestre, in grado di soddisfare la domanda del mercato che supera un milione di tonnellate all'anno. Come materiale catodico, il fosfato di litio e ferro ha una tensione operativa moderata (3,2 V), un'elevata capacità specifica (170 mA·h/g), un'elevata potenza di scarica, una capacità di ricarica rapida, un lungo ciclo di vita e una buona stabilità in ambienti ad alta temperatura e calore elevato.
Apparecchiature di produzione utilizzate nella produzione di materiali al fosfato di litio ferro
▲Requisiti per le apparecchiature di produzione:;Attrezzature di miscelazione;Attrezzature per l'essiccazione;Attrezzature per la sinterizzazione;;Attrezzature per la frantumazione; Attrezzature di screening; Generatore di azoto;Attrezzature per l'imballaggio.
Quando i materiali catodici al litio ferro fosfato (LFP) vengono utilizzati nella produzione di batterie agli ioni di litio-, i requisiti relativi a purezza, fase e impurità sono estremamente severi. Ad esempio, quando il grado di ossidazione del ferro bivalente nell'LFP raggiunge l'1%, la capacità specifica può diminuire di oltre il 30%. Questo perché il ferro trivalente appena generato riveste la superficie dell’LFP, formando uno strato reattivo che impedisce ulteriori reazioni interne. Se l’LFP è già stato ossidato, i successivi metodi di riduzione non possono produrre LFP perché gli ioni di litio nella materia prima sono già andati persi.
Preparazione di materiali al fosfato di litio ferro mediante il metodo dell'ossalato ferroso
▲Principio di sintesi
▲Principali materie prime sintetiche
▲Processo di sintesi
▲Prestazioni dei materiali sintetici
Il processo di sintesi del fosfato di litio ferro utilizzando l'ossalato ferroso come materia prima è chiamato metodo dell'ossalato ferroso (o semplicemente metodo ferroso). Attualmente, il metodo dell’ossalato ferroso è il processo e il metodo più utilizzato in Cina, utilizzato da oltre la metà dei produttori nazionali. I suoi principali vantaggi sono i bassi costi delle materie prime, il processo semplice e il facile controllo dei rapporti degli ingredienti.
Preparazione di materiali a base di fosfato di litio ferro mediante riduzione carbotermica
▲Principio di sintesi
▲Principali materie prime sintetiche
▲Processo di sintesi
▲Prestazioni dei materiali sintetici
Tra i produttori che producono materiali al fosfato di litio ferro (LiFePO4), il metodo di riduzione carbotermica è attualmente la seconda tecnologia più utilizzata dopo il metodo dell’ossalato ferroso. La sua principale materia prima è il ferro ferrico (Fe2PO4), compreso il fosfato di ferro (Fe2PO4) e l'ossido di ferro (Fe2O3). Durante la reazione, il carbonio (C) e il monossido di carbonio (C2O3) riducono il ferro ferrico (Fe2PO4) in ferro ferroso (Fe2+), che poi entra nel reticolo cristallino, formando la struttura cristallina del fosfato di litio ferro (LiFePO4).
Il vantaggio del metodo di riduzione carbotermica è che non è necessario considerare l'ossidazione delle materie prime durante la lavorazione; è possibile utilizzare vari metodi di miscelazione per trattare le materie prime per ottenere lo stato di dispersione desiderato. Solo nella fase ad alta temperatura il carbonio riduce il ferro ferrico in ferro ferroso, formando fosfato di litio e ferro, da cui il nome metodo di riduzione carbotermico. Il metodo di riduzione carbotermico consente di ottenere una riduzione-step, di ridurre la produzione di gas ed è vantaggioso per migliorare la resa. Allo stesso tempo, il processo di sintesi è semplice e facile da controllare, portando un numero crescente di aziende ad adottare il metodo di riduzione carbotermica.
Preparazione idrotermale di materiali al fosfato di litio ferro
▲Principio di sintesi
▲Principali materie prime sintetiche
▲Processo di sintesi
▲Prestazioni dei materiali sintetici
Il metodo idrotermale è un metodo relativamente avanzato per preparare materiali catodici al fosfato di litio ferro. Il suo processo principale utilizza un sistema idrotermale supercritico, sciogliendo solfato ferroso, idrossido di litio e acido fosforico in acqua, riscaldando la soluzione a oltre 100 gradi in un ambiente sigillato per formare una soluzione acquosa ad alta-temperatura e alta-pressione. La reazione procede attraverso la diffusione di ioni, generando particelle di cristalli di fosfato di litio ferro. Il materiale puro fosfato di litio ferro viene quindi filtrato, essiccato e rivestito con carbonio- per formare un composito fosfato di litio ferro/carbonio.
Metodi convenzionali di test e analisi per materiali al fosfato di litio ferro
▲ Analisi della composizione chimica e metodi di prova per materiali al fosfato di litio ferro
▲Metodi di prova delle proprietà fisiche per materiali al fosfato di litio ferro
▲Metodi di prova delle prestazioni elettrochimiche per materiali al fosfato di litio ferro
▲Valutazione delle applicazioni pratiche dei materiali al litio ferro fosfato
Per i materiali al fosfato di litio ferro (LFP), i test rappresentano una tecnologia fondamentale, ancora più importante del controllo del processo di sintesi. Senza dati di test precisi e accurati, non è possibile ottenere condizioni di processo stabili e, pertanto, non è possibile produrre prodotti LFP qualificati che soddisfino i requisiti di utilizzo. Test rigorosi dei materiali sono essenziali durante l'intero processo produttivo, dall'approvvigionamento e sintesi delle materie prime alla valutazione del prodotto finito. Pertanto, qualsiasi unità che ricerca e produce LFP deve porre grande enfasi sulla costruzione del proprio sistema di test. L'utilizzo di sofisticate apparecchiature di test, metodi di test rigorosi e personale di test ben-addestrato sono condizioni fondamentali affinché un'azienda possa mantenere la propria posizione nel settore.
Analisi di altre proprietà caratteristiche dei materiali al fosfato di litio ferro
▲Analisi delle prestazioni elettrochimiche dei materiali al fosfato di litio ferro
▲Analisi morfologica al microscopio elettronico di materiali di fosfato di litio ferro
▲Energia superficiale dei materiali al litio ferro fosfato
▲Misura della solubilità del ferro nei materiali al fosfato di litio ferro
▲Caratteristiche spettroscopiche dei materiali al fosfato di litio ferro
Nell'applicazione pratica dei materiali al fosfato di litio ferro, oltre ai test prestazionali di routine, è anche necessario misurare alcune proprietà specifiche per fornire un riferimento per la valutazione delle prestazioni dei materiali e dei processi di produzione delle batterie. Con il progresso della tecnologia, alcuni parametri che in precedenza potevano essere misurati solo utilizzando celle piene, ora possono essere determinati utilizzando metodi semplici. Ad esempio, le prestazioni del ciclo dei materiali al litio ferro fosfato, in particolare le prestazioni del ciclo del carbonio, possono ora essere valutate utilizzando celle a bottone appositamente progettate, semplificando notevolmente il processo di misurazione.
Tecnologia di produzione delle batterie che utilizza materiali al litio ferro fosfato
▲Specifiche di progettazione del sistema batteria al litio ferro fosfato
▲ Tecnologia di preparazione dei liquami materiali al litio ferro fosfato
▲Rivestimento di liquame di fosfato di litio ferro
▲Laminazione di elettrodi al litio ferro fosfato
▲Trasformazione e Divisione
▲Altri esempi di produzione di batterie
Per qualsiasi batteria agli ioni di litio-, la progettazione iniziale è l'attività principale. Il lavoro di progettazione prevede la determinazione del processo di produzione della batteria agli ioni di litio-. Poiché le prestazioni della batteria sono determinate principalmente dagli elettrodi, la progettazione degli elettrodi è un aspetto fondamentale del processo di produzione della batteria. Questo vale anche per le batterie al litio ferro fosfato.
Principali aree di applicazione delle batterie al litio ferro fosfato
▲Applicazioni delle batterie al litio ferro fosfato nei dispositivi di trasporto elettrici
▲Applicazioni delle batterie al litio ferro fosfato nell'alimentatore per l'accumulo di energia
▲Applicazioni delle batterie al litio ferro fosfato negli utensili elettrici
▲Applicazioni delle batterie al litio ferro fosfato
Il litio ferro fosfato (LFP) è il materiale catodico delle batterie agli ioni di litio- e il suo più grande vantaggio è l'elevata sicurezza. Presenta inoltre vantaggi che mancano ai materiali ternari litio-ossido di manganese e nichel-manganese-cobalto, come un lungo ciclo di vita, un basso costo dei materiali e abbondanti fonti di materie prime. Le batterie LFP hanno una tensione stabile, una tensione operativa moderata, una buona compatibilità con i sistemi elettrolitici, non sono-tossiche, non hanno effetto memoria e non inquinano l'ambiente. La loro energia specifica può raggiungere 100–130 Wh/kg, ovvero 0,3–5 volte quella delle batterie al piombo-acido e 1,5 volte quella delle batterie al nichel-metallo idruro. Considerati i suoi numerosi vantaggi, è considerata una batteria ideale per veicoli elettrici, accumulo di energia eolica e solare e batterie di riserva sicure per uso domestico.
Prospettive per altri materiali catodici per batterie agli ioni di litio-
▲Materiale catodico al fosfato di litio vanadio -
▲ Materiale catodico al fosfato di manganese e litio
▲ Materiale catodico in silicato di ferro e litio
▲ Materiale catodico al litio ferro borato
▲Materiali catodici stratificati ricchi di litio-
L'emergere dei materiali al litio ferro fosfato (LFP) ha gettato le basi della scienza dei materiali per l'applicazione diffusa di batterie agli ioni di litio su larga scala--.
Come è noto, la sicurezza delle batterie agli ioni di litio- è sempre stata una questione centrale e critica che limita lo sviluppo del settore. Anche nei paesi sviluppati con proprietà dei materiali stabili e apparecchiature di lavorazione sofisticate, la sicurezza delle batterie agli ioni di litio- non può essere completamente garantita. Dato l'attuale livello relativamente basso di lavorazione delle batterie agli ioni di litio-nel mio Paese, LFP è-adatto alle condizioni nazionali del mio Paese, migliorando significativamente la sicurezza delle batterie.