Nama lengkap baterai lithium iron phosphate adalah baterai lithium iron phosphate lithium ion, nama ini terlalu panjang disebut baterai lithium iron phosphate. Karena kinerjanya sangat cocok untuk aplikasi daya, kata "daya" ditambahkan pada namanya, yaitu baterai daya litium besi fosfat. Beberapa orang juga menyebutnya sebagai "baterai bertenaga lithium iron (LiFe)".
Prinsip kerja
Baterai litium besi fosfat mengacu pada baterai litium ion yang menggunakan litium besi fosfat sebagai bahan elektroda positif. Bahan katoda utama baterai litium-ion adalah litium kobalt, litium manganat, litium nikel, bahan terner, litium besi fosfat, dan sebagainya. Litium kobaltat adalah bahan anoda yang digunakan di sebagian besar baterai litium-ion.
makna
Di pasar perdagangan logam, kobalt (Co) paling mahal dan memiliki sedikit penyimpanan, nikel (Ni) dan mangan (Mn) lebih murah, dan besi (Fe) memiliki penyimpanan lebih banyak. Harga bahan anoda juga sejalan dengan harga logam tersebut. Oleh karena itu, harga baterai lithium-ion yang terbuat dari bahan katoda LiFePO4 seharusnya cukup murah. Ciri lainnya adalah tidak adanya pencemaran terhadap lingkungan.
Sebagai baterai isi ulang, persyaratannya adalah: kapasitas tinggi, tegangan keluaran tinggi, kinerja siklus pengisian-pengosongan yang baik, tegangan keluaran stabil, pengosongan arus tinggi, stabilitas elektrokimia, keamanan penggunaan (tidak akan menyebabkan pembakaran atau ledakan karena pengoperasian yang tidak tepat seperti overcharge, overdischarge dan korsleting), rentang suhu pengoperasian yang luas, tidak beracun atau kurang beracun, tidak menimbulkan polusi terhadap lingkungan. Baterai litium besi fosfat yang menggunakan LiFePO4 sebagai elektroda positif memenuhi persyaratan kinerja ini dengan baik, terutama dalam laju pelepasan yang besar (pengosongan 5 ~ 10C), tegangan pelepasan yang stabil, keamanan (tidak ada pembakaran, tidak ada ledakan), masa pakai (jumlah siklus), dan tidak ada polusi terhadap lingkungan, ini adalah yang terbaik, saat ini merupakan baterai daya keluaran arus tinggi terbaik.
Struktur dan prinsip kerja
LiFePO4 sebagai elektroda positif baterai dihubungkan dengan aluminium foil ke elektroda positif baterai. Di tengahnya terdapat diafragma polimer, yang memisahkan elektroda positif dari elektroda negatif, tetapi ion litium Li dapat melewatinya dan elektron e- tidak dapat melewatinya. Di sebelah kanan adalah elektroda negatif baterai yang tersusun dari karbon (grafit), yang dihubungkan dengan elektroda negatif baterai dengan kertas tembaga. Di antara ujung atas dan bawah baterai terdapat elektrolit baterai, dan baterai disegel oleh cangkang logam.
Ketika baterai LiFePO4 diisi, ion litium Li di elektroda positif bermigrasi ke elektroda negatif melalui diafragma polimer; Selama proses pelepasan, ion litium Li di elektroda negatif bermigrasi melalui diafragma ke elektroda positif. Baterai litium-ion diberi nama demikian karena ion litium bermigrasi bolak-balik saat diisi dan dikosongkan.
Kinerja utama
Tegangan nominal baterai LiFePO4 adalah 3,2V, tegangan pengisian terminasi adalah 3,6V, dan tegangan pelepasan terminasi adalah 2.0V. Karena perbedaan kualitas dan proses bahan elektroda positif dan negatif serta bahan elektrolit yang digunakan oleh berbagai produsen, kinerjanya akan sedikit berbeda. Misalnya model yang sama (paket baterai standar yang sama), kapasitas baterainya memiliki perbedaan yang besar (10% hingga 20%).
Perlu dicatat di sini bahwa terdapat beberapa perbedaan dalam parameter kinerja baterai daya litium besi fosfat yang diproduksi oleh pabrik berbeda; Selain itu, ada beberapa performa baterai yang tidak disertakan, seperti resistansi internal baterai, laju pengosongan otomatis, suhu pengisian dan pengosongan.
Kapasitas baterai daya litium besi fosfat sangat berbeda, dan dapat dibagi menjadi tiga kategori: sepersepuluh kecil hingga beberapa miliampere, puluhan miliampere berukuran sedang, dan ratusan miliampere besar. Ada juga beberapa perbedaan dalam parameter yang sama untuk berbagai jenis baterai.
Uji overdischarge ke tegangan nol:
Uji tegangan pelepasan ke nol pada baterai daya litium besi fosfat STL18650(1100mAh) telah dilakukan. Kondisi pengujian: Isi daya baterai 1100mAh STL18650 dengan laju pengisian 0,5C, lalu kosongkan dengan laju pengosongan 1,0C hingga tegangan baterai menjadi 0C. Kemudian baterai yang ditempatkan pada 0V dibagi menjadi dua kelompok: satu kelompok disimpan selama 7 hari, kelompok lainnya disimpan selama 30 hari; Setelah penyimpanan berakhir, diisi dengan laju pengisian 0,5C, dan kemudian dibuang dengan 1,0C. Terakhir, perbedaan antara dua periode penyimpanan tegangan nol dibandingkan.
Hasil pengujian adalah setelah 7 hari penyimpanan tegangan nol, baterai tidak mengalami kebocoran, kinerja baik, dan kapasitas 100%; Setelah penyimpanan 30 hari, tidak ada kebocoran, kinerja bagus, kapasitas 98%; Setelah penyimpanan 30 hari, baterai diisi dan dikosongkan selama 3 siklus lagi, dan kapasitas dikembalikan ke 100%.
Pengujian ini menunjukkan bahwa meskipun baterai lithium iron phosphate telah habis (bahkan hingga 0V), dan disimpan dalam waktu tertentu, baterai tidak akan bocor dan rusak. Ini adalah fitur yang tidak dimiliki baterai lithium-ion jenis lain.
Keuntungan
1. Peningkatan kinerja keselamatan
Ikatan PO pada kristal litium besi fosfat stabil dan sulit terurai, meskipun pada suhu tinggi atau pengisian berlebih, tidak akan rusak dan memanas atau membentuk zat pengoksidasi kuat seperti litium kobalt oksida, sehingga memiliki keamanan yang baik. Telah dilaporkan bahwa sebagian kecil sampel ditemukan terbakar dalam pengoperasian jarum atau percobaan hubung singkat yang sebenarnya, tetapi tidak ada peristiwa ledakan, dan percobaan pengisian berlebih menggunakan muatan tegangan tinggi yang jauh melebihi self-discharge. tegangan beberapa kali, dan ternyata masih terjadi ledakan. Namun, keamanan pengisian daya berlebih telah jauh ditingkatkan dibandingkan dengan baterai litium kobalt oksida elektrolit cair biasa.
2. Peningkatan kehidupan
Baterai litium besi fosfat merupakan baterai litium ion yang menggunakan litium besi fosfat sebagai bahan elektroda positif.
Masa pakai baterai asam timbal yang tahan lama adalah sekitar 300 kali, dan maksimum adalah 500 kali, sedangkan baterai daya litium besi fosfat memiliki masa pakai lebih dari 2000 kali, dan pengisian daya standar ({{5} }tarif jam) dapat digunakan sebanyak 2000 kali. Baterai timbal-asam kualitas yang sama adalah "setengah tahun baru, setengah tahun lama, pemeliharaan dan pemeliharaan setengah tahun lagi", paling lama 1 hingga 1,5 tahun, dan baterai lithium besi fosfat digunakan dalam kondisi yang sama, teorinya hidup akan mencapai 7 sampai 8 tahun. Pertimbangan keseluruhan, rasio harga kinerja lebih dari 4 kali lipat dari baterai timbal-asam secara teori. Debit arus tinggi dapat berupa pengisian dan pengosongan cepat 2C arus tinggi, di bawah pengisi daya khusus, pengisian daya 1,5C dapat terisi penuh dalam waktu 40 menit, arus mulai hingga 2C, dan baterai timbal-asam tidak memiliki kinerja ini.
3. Kinerja suhu tinggi yang baik
Nilai puncak litium besi fosfat bisa mencapai 350 derajat -500 derajat, sedangkan litium manganat dan litium kobaltat hanya sekitar 200 derajat. Kisaran suhu pengoperasiannya lebar (-20C-- 75C), dan puncak listrik litium besi fosfat dapat mencapai 350 derajat -500 derajat, sedangkan asam litium mangan dan asam litium kobalt hanya sekitar 200 derajat.
4. Kapasitas besar
Baterai sering kali bekerja dalam kondisi penuh dan tidak habis, dan kapasitasnya akan dengan cepat menjadi lebih rendah dari nilai kapasitas terukur, yang disebut efek memori. Seperti nikel-metal hidrida, baterai nikel-kadmium memiliki memori, dan baterai lithium besi fosfat tidak memiliki fenomena ini, tidak peduli dalam kondisi apa baterainya, baterai dapat digunakan dengan mengisi daya, tanpa terlebih dahulu menempatkan dan kemudian mengisi daya.
6. Ringan
Volume dan berat baterai litium besi fosfat dengan kapasitas yang sama adalah 2/3 volume dan 1/3 berat baterai timbal-asam.
7. Perlindungan Lingkungan
Baterai litium besi fosfat umumnya dianggap bebas dari logam berat dan logam langka (baterai nikel metal hidrida memerlukan logam langka), tidak beracun (sertifikasi SGS), bebas polusi, sejalan dengan peraturan RoHS Eropa, untuk lingkungan yang benar-benar ramah lingkungan sertifikat baterai. Oleh karena itu, alasan mengapa baterai lithium optimis oleh industri terutama adalah pertimbangan perlindungan lingkungan, sehingga baterai tersebut telah dimasukkan dalam rencana pengembangan teknologi tinggi nasional "863" selama periode "Rencana Lima Tahun Kesepuluh", dan telah menjadi proyek utama nasional untuk mendukung dan mendorong pembangunan. Dengan bergabungnya Tiongkok ke WTO, volume ekspor sepeda listrik Tiongkok akan meningkat pesat, dan sepeda listrik yang masuk ke Eropa dan Amerika Serikat harus dilengkapi dengan baterai bebas polusi.
Namun, beberapa ahli mengatakan bahwa pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh baterai timbal-asam terutama terjadi pada proses produksi yang tidak standar dan proses daur ulang di perusahaan. Demikian pula dengan baterai litium yang termasuk dalam industri energi baru yang baik, namun tidak dapat menghindari masalah pencemaran logam berat. Timbal, arsenik, kadmium, merkuri, kromium, dll. dalam pengolahan bahan logam dapat dilepaskan menjadi debu dan air. Baterai itu sendiri merupakan bahan kimia, sehingga dapat menimbulkan dua jenis pencemaran: satu adalah pencemaran limbah proses dalam proyek produksi; Yang kedua adalah polusi baterai setelah dibuang.
Baterai litium besi fosfat juga memiliki kelemahan: seperti kinerja suhu rendah yang buruk, kepadatan getaran material positif yang kecil, volume baterai litium besi fosfat dengan kapasitas yang sama lebih besar dari baterai litium ion seperti asam litium kobalt, sehingga tidak memiliki keuntungan dalam hal baterai mikro. Saat digunakan dalam baterai listrik, baterai litium besi fosfat, seperti baterai lainnya, perlu menghadapi masalah konsistensi baterai.
Kekurangan
Apakah suatu material mempunyai potensi untuk dikembangkan aplikasinya, selain berfokus pada kelebihannya, yang lebih penting adalah apakah material tersebut mempunyai cacat yang mendasar.
China sekarang umumnya memilih litium besi fosfat sebagai bahan elektroda positif untuk baterai litium-ion daya, dari pemerintah, lembaga penelitian ilmiah, perusahaan dan bahkan perusahaan sekuritas dan analis pasar lainnya optimis tentang bahan ini, sebagai pengembangan baterai litium-ion daya arah. Alasan utamanya adalah sebagai berikut: Pertama, dipengaruhi oleh arah penelitian dan pengembangan Amerika Serikat, perusahaan Valence dan A123 di Amerika Serikat adalah yang pertama menggunakan litium besi fosfat sebagai bahan elektroda positif baterai litium-ion. Kedua, belum ada persiapan bahan litium manganat dalam negeri dengan sifat perputaran dan penyimpanan suhu tinggi yang baik untuk baterai litium-ion bertenaga. Namun litium besi fosfat juga memiliki cacat mendasar yang tidak dapat diabaikan, yang dapat diringkas sebagai berikut:
1. Dalam proses sintering sediaan litium besi fosfat, oksida besi mempunyai kemungkinan tereduksi menjadi unsur besi dalam atmosfer pereduksi suhu tinggi. Unsur besi dapat menyebabkan korsleting mikro pada baterai dan merupakan zat yang paling tabu di dalam baterai. Hal ini juga menjadi alasan utama mengapa Jepang belum menggunakan bahan ini sebagai bahan elektroda positif untuk pembangkit listrik baterai lithium-ion.
2. lithium besi fosfat memiliki beberapa cacat kinerja, seperti kepadatan getaran dan kepadatan pemadatan yang sangat rendah, sehingga menghasilkan kepadatan energi baterai lithium-ion yang rendah. Performa suhu rendah buruk, bahkan lapisan nano dan karbon tidak menyelesaikan masalah ini. Don Hillebrand, direktur Pusat Sistem Penyimpanan Energi di Laboratorium Nasional Argonne di Amerika Serikat, ketika berbicara tentang kinerja suhu rendah baterai litium besi fosfat, dia menggunakan cara yang buruk untuk menggambarkan hasil pengujian baterai litium besi fosfat yang ditunjukkan oleh baterai litium ion bahwa baterai litium besi fosfat pada suhu rendah (di bawah 0 derajat C) tidak dapat membuat kendaraan listrik dapat berjalan. Meskipun beberapa produsen mengklaim bahwa tingkat retensi kapasitas baterai litium besi fosfat baik pada suhu rendah, hal ini terjadi pada arus pelepasan yang kecil dan tegangan pemutusan pelepasan yang rendah. Dalam hal ini, perangkat tidak akan berfungsi sama sekali.
3. Biaya persiapan bahan dan biaya pembuatan baterai lebih tinggi, hasil baterai rendah, dan konsistensi buruk. Nanometer dan lapisan karbon litium besi fosfat meningkatkan kinerja elektrokimia material, tetapi juga menimbulkan masalah lain, seperti berkurangnya kepadatan energi, peningkatan biaya sintesis, kinerja pemrosesan elektroda yang buruk, dan persyaratan lingkungan yang keras. Meskipun unsur kimia Li, Fe dan P dalam litium besi fosfat sangat kaya, dan biayanya rendah, biaya produk litium besi fosfat yang disiapkan tidak rendah, bahkan jika biaya penelitian dan pengembangan awal dihilangkan, biaya proses pembuatannya. material ditambah mahalnya biaya penyiapan baterai akan membuat biaya penyimpanan energi unit akhir menjadi lebih tinggi.
4. Konsistensi produk buruk. Saat ini, tidak ada pabrik bahan litium besi fosfat di China yang dapat mengatasi masalah ini. Dari sudut pandang persiapan bahan, sintesis litium besi fosfat merupakan reaksi multifasa yang kompleks, dengan fosfat fase padat, oksida besi dan garam litium, ditambah prekursor karbon dan fase gas pereduksi. Dalam proses reaksi yang kompleks ini, sulit untuk memastikan konsistensi reaksi.
5. Masalah kekayaan intelektual. Saat ini, paten dasar litium besi fosfat dimiliki oleh Universitas Texas, sedangkan paten pelapisan karbon diterapkan oleh warga Kanada. Kedua paten dasar ini tidak dapat diabaikan, jika dihitung biaya royalti maka harga pokok produk akan semakin meningkat.
Selain itu, berdasarkan pengalaman penelitian dan pengembangan serta produksi baterai litium-ion, Jepang merupakan negara pertama yang mengkomersialkan baterai litium-ion, dan selalu menduduki pasar baterai litium-ion kelas atas. Meskipun Amerika Serikat memimpin dalam beberapa penelitian dasar, sejauh ini negara tersebut belum memiliki produsen baterai lithium-ion yang besar. Oleh karena itu, lebih masuk akal bagi Jepang untuk memilih litium manganat yang dimodifikasi sebagai bahan elektroda positif untuk baterai litium-ion dinamis. Bahkan di Amerika Serikat, penggunaan litium besi fosfat dan litium manganat sebagai produsen bahan katoda baterai litium-ion terbagi rata, dan pemerintah federal juga mendukung pengembangan kedua sistem tersebut. Mengingat masalah yang ada pada litium besi fosfat di atas, sulit untuk digunakan secara luas sebagai bahan elektroda positif untuk memberi daya pada baterai litium-ion di bidang seperti kendaraan energi baru. Jika kita dapat mengatasi masalah buruknya siklus suhu tinggi dan kinerja penyimpanan lithium manganat, dengan keunggulan biaya rendah dan kinerja tingkat tinggi, maka akan memiliki potensi besar dalam penerapan baterai lithium-ion dinamis.
