با تعدیل مستمر ساختار انرژی جهانی و توسعه سریع انرژی های تجدیدپذیر،ذخیره انرژیفناوری به تدریج تبدیل به یک پشتیبان مهم برای تحول انرژی و محرک توسعه اقتصادی آینده می شود.
مقدمه ای بر فناوری باتری های ذخیره انرژی
▲طبقه بندی و کاربرد فن آوری های ذخیره سازی انرژی
▲مروری بر باتری های ذخیره انرژی
▲اصل کار و ترکیب باتری های ذخیره انرژی
▲شاخص های عملکرد و اصطلاحات مربوط به باتری های ذخیره انرژی
انرژی نیروی اساسی محرک جهان و منبع اصلی است که جامعه بشری برای توسعه به آن وابسته است. از استفاده اولیه از آتش تا برق امروزی، توسعه و استفاده از انرژی باعث پیشرفت تمدن شده و ساختار اجتماعی فعلی ما را شکل داده است.
با رشد مستمر تقاضای جهانی انرژی و توسعه سریع انرژیهای تجدیدپذیر، فناوری باتری ذخیرهسازی انرژی ظهور کرده و به یک ستون حیاتی در بخش انرژی تبدیل شده است. باتری های ذخیره انرژی می توانند به طور موثر منابع انرژی متناوب مانند نیروی باد و خورشید را ذخیره کرده و آنها را در دوره های اوج تقاضا آزاد کنند و از پایداری منبع تغذیه اطمینان حاصل کنند. این فناوری نه تنها وابستگی به سوختهای فسیلی سنتی را کاهش میدهد، بلکه تضمینهای مهمی برای دستیابی به سیستمهای انرژی کم-و انرژی پایدار ارائه میدهد.
توسعه فناوری باتریهای ذخیرهسازی انرژی، از باتریهای سنتی سرب-اسید تا باتریهای لیتیوم- مدرن، و سپس به باتریهای-حالت جامد و باتریهای یون سدیم{3}، دائماً در حال شکستن گلوگاههای فناوری است. باتری های ذخیره انرژی با بهبود چگالی انرژی، افزایش طول عمر و افزایش ایمنی، چشم انداز کاربرد گسترده ای را در زمینه هایی مانند ذخیره سازی انرژی خانگی، حمل و نقل و تنظیم شبکه نشان داده اند. می توان گفت که فناوری باتری ذخیره انرژی نه تنها کلید تحول ساختار انرژی فعلی است، بلکه هسته اصلی شبکه های هوشمند آینده و سیستم های انرژی توزیع شده است.
فناوری ذخیره انرژی باتری مبتنی بر لیتیوم-
▲ساختار و اصل کار باتریهای لیتیوم{0} یون
▲الکترولیت باتری لیتیوم{0} یون
▲طراحی و ساخت باتریهای لیتیوم{0} یون
در سال 1970، MS Whittingham از ExxonMobil اولین باتری لیتیوم{3} یونی را ایجاد کرد. او از دی سولفید تیتانیوم و لیتیوم فلزی به عنوان الکترود مثبت و منفی استفاده کرد. در طول شارژ و تخلیه، لیتیوم فلزی به طور مداوم در الکترود منفی مصرف و تولید می شود، در حالی که دی سولفید تیتانیوم به طور مداوم یون های لیتیوم را در الکترود مثبت وارد و استخراج می کند. این دو فرآیند در طول عمر باتری برگشتپذیر هستند، بنابراین یک باتری یونی لیتیوم ثانویه با ولتاژ 2 ولت تشکیل میدهند. در سال 1982، RR Agarwal و JR Selman از مؤسسه فناوری ایلینویز کشف کردند که یونهای لیتیوم دارای خاصیت میانقلاب شدن به گرافیت و فرآیندی غیرقابل پذیرش در گرافیت هستند. باتریهای لیتیوم{16} یون فرآیند تحقیق، توسعه و تکامل را پشت سر گذاشتهاند. با عملکرد برتر و راحت خود، آنها به طور فزاینده ای در زمینه های مختلف نفوذ می کنند، از محصولات 3C مانند تلفن های همراه و تبلت ها گرفته تا بخش های انرژی مانند وسایل نقلیه الکتریکی و میدان های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ مانند فتوولتائیک و نیروی باد، که به طور قابل توجهی بر زندگی اجتماعی تأثیر می گذارد.
باتری چیست؟
▲ تاریخچه توسعه باتری
▲معرفی باتریهای لیتیوم{0} یون
▲ویژگیهای باتریهای لیتیوم{0}}
▲مواد کلیدی در باتریهای لیتیوم{0}یون
باتری نوعی منبع تغذیه است. منابع انرژی به طور کلی به منابع انرژی فیزیکی و منابع انرژی شیمیایی تقسیم می شوند. منابع انرژی فیزیکی شامل دستگاه های تولید برق خورشیدی، دستگاه های تولید برق ترموالکتریک، ژنراتورهای حرارتی و آبی و غیره است. در حالی که منابع انرژی شیمیایی به دستگاه های تولید برق اطلاق می شود که می توانند انرژی شیمیایی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل کنند، یعنی باتری های شیمیایی به معنای عام یا صرفاً باتری.
سیستمهای باتری در چهار نسل تکامل یافتهاند: باتریهای سرب-اسید، باتریهای نیکل-کادمیم، نیکل-باتریهای هیدرید فلزی، و باتریهای لیتیوم{3}}. عملکرد باتری به طور مداوم بهبود یافته است و درک انسان از سیستم های باتری عمیق تر شده است. در حال حاضر، باتریهای لیتیوم{6}} کارآمدترین و کارآمدترین سیستم باتری قابل شارژ{7}}در انرژی هستند که بالاترین سطح تحقیقات و فناوری باتری انسانی را نشان میدهند.
تاریخچه تحقیق و توسعه مواد فسفات آهن لیتیوم
▲سابقه توسعه مواد فسفات آهن لیتیوم
▲وضعیت ثبت اختراع لیتیوم فسفات آهن
▲مطالعات ساختاری و عملکرد مواد فسفات آهن لیتیوم
فسفات آهن لیتیوم (LiFeP، LFP، همچنین به عنوان فسفات آهن لیتیوم یا فسفات آهن لیتیوم نیز شناخته می شود) یک ماده کاتدی است که در باتری های لیتیوم{0} یون استفاده می شود. مشخصه آن عدم وجود عناصر گرانبها مانند کبالت و نیکل، قیمت پایین مواد خام، و فراوانی منابع فسفر، لیتیوم و آهن در پوسته زمین است که می تواند تقاضای بازار را بیش از یک میلیون تن در سال برآورده کند. به عنوان یک ماده کاتدی، فسفات آهن لیتیوم دارای ولتاژ عملیاتی متوسط (3.2V)، ظرفیت ویژه بالا (170mAh/g)، قدرت تخلیه بالا، قابلیت شارژ سریع، عمر چرخه طولانی و پایداری خوب در محیطهای با دمای بالا و گرمای بالا است.
تجهیزات تولید مورد استفاده در ساخت مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ تجهیزات مورد نیاز تولید: تجهیزات اختلاط، تجهیزات خشک کردن، تجهیزات پخت، تجهیزات خرد کردن. تجهیزات غربالگری؛ مولد نیتروژن؛ تجهیزات بسته بندی.
وقتی از مواد کاتد لیتیوم آهن فسفات (LFP) در تولید باتریهای لیتیوم{0} یونی استفاده میشود، الزامات خلوص، فاز و ناخالصیهای آنها بسیار سختگیرانه است. به عنوان مثال، هنگامی که درجه اکسیداسیون آهن دو ظرفیتی در LFP به 1٪ می رسد، ظرفیت ویژه می تواند بیش از 30٪ کاهش یابد. این به این دلیل است که آهن سه ظرفیتی تازه تولید شده سطح LFP را می پوشاند و یک لایه واکنشی تشکیل می دهد که از واکنش های داخلی بیشتر جلوگیری می کند. اگر LFP قبلاً اکسید شده باشد، روشهای کاهش بعدی نمیتوانند LFP را تولید کنند، زیرا یونهای لیتیوم موجود در مواد خام قبلاً از بین رفتهاند.
تهیه مواد فسفات آهن لیتیوم به روش اگزالات آهن
▲اصل سنتز
▲مواد اولیه مصنوعی اصلی
▲فرایند سنتز
▲عملکرد مواد مصنوعی
فرآیند سنتز فسفات آهن لیتیوم با استفاده از اگزالات آهن به عنوان ماده خام، روش اگزالات آهنی (یا به سادگی روش آهنی) نامیده می شود. در حال حاضر روش اگزالات آهنی پرکاربردترین فرآیند و روش در چین است که بیش از نیمی از تولیدکنندگان داخلی از آن استفاده می کنند. مزایای اصلی آن هزینه کم مواد اولیه، فرآیند ساده و کنترل آسان نسبت مواد تشکیل دهنده است.
تهیه مواد فسفات آهن لیتیوم با احیای کربوترمال
▲اصل سنتز
▲مواد اولیه مصنوعی اصلی
▲فرایند سنتز
▲عملکرد مواد مصنوعی
در میان تولیدکنندگان مواد فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، روش احیای کربوترمال در حال حاضر دومین فناوری پرکاربرد پس از روش اگزالات آهنی است. ماده اولیه اصلی آن آهن آهن (Fe2PO4) از جمله فسفات آهن (Fe2PO4) و اکسید آهن (Fe2O3) است. در طی واکنش، کربن (C) و مونوکسید کربن (C2O3) آهن آهن (Fe2PO4) را به آهن آهنی (Fe{13}}) تبدیل میکنند که سپس وارد شبکه بلوری شده و ساختار بلوری لیتیوم فسفات آهن (LiFePO4) را تشکیل میدهد.
مزیت روش احیای کربوترمال این است که اکسیداسیون مواد اولیه نیازی به در نظر گرفتن در طول پردازش ندارد. می توان از روش های مختلف اختلاط برای پردازش مواد خام برای رسیدن به حالت پراکندگی مطلوب استفاده کرد. کربن فقط در مرحله دمای بالا، آهن آهن را به آهن آهنی تبدیل می کند و فسفات آهن لیتیوم را تشکیل می دهد، از این رو روش احیای کربوترمال نامیده می شود. روش احیای کربوترمال به یک -کاهش یک مرحلهای دست مییابد، خروجی گاز را کاهش میدهد و برای بهبود بازده مفید است. در عین حال، فرآیند سنتز ساده و آسان برای کنترل است، که منجر به افزایش تعداد شرکتها از روش کاهش کربوترمال میشود.
آماده سازی هیدروترمال مواد فسفات آهن لیتیوم
▲اصل سنتز
▲مواد اولیه مصنوعی اصلی
▲فرایند سنتز
▲عملکرد مواد مصنوعی
روش هیدروترمال روشی نسبتاً پیشرفته برای تهیه مواد کاتد فسفات آهن لیتیوم است. فرآیند اصلی آن از یک سیستم هیدروترمال فوق بحرانی استفاده می کند، سولفات آهن، هیدروکسید لیتیوم و اسید فسفریک را در آب حل می کند و محلول را تا بیش از 100 درجه در یک محیط دربسته گرم می کند تا یک محلول آبی با دمای بالا و فشار بالا تشکیل شود. واکنش از طریق انتشار یون، تولید ذرات کریستال آهن لیتیوم فسفات انجام می شود. سپس مواد خالص فسفات آهن لیتیوم فیلتر شده، خشک میشود و کربن{6}}روکش میشود تا یک کامپوزیت لیتیوم فسفات آهن/کربن تشکیل شود.
روشهای آزمایش و آنالیز مرسوم برای مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی و روش های آزمایش برای مواد فسفات آهن لیتیوم
▲روش های تست خواص فیزیکی مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ روش های تست عملکرد الکتروشیمیایی برای مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ارزیابی کاربردهای عملی مواد فسفات آهن لیتیوم
برای مواد لیتیوم آهن فسفات (LFP)، آزمایش یک فناوری اصلی است، حتی مهمتر از کنترل فرآیند سنتز. بدون داده های دقیق و دقیق آزمایش، نمی توان شرایط فرآیند پایدار را به دست آورد، و بنابراین، محصولات LFP واجد شرایط که الزامات استفاده را برآورده می کنند، نمی توانند تولید شوند. آزمایش دقیق مواد در کل فرآیند تولید، از تهیه و سنتز مواد خام تا ارزیابی محصول نهایی، ضروری است. بنابراین، هر واحدی که در حال تحقیق و تولید LFP است باید بر ساخت سیستم آزمایشی خود تأکید زیادی داشته باشد. بکارگیری تجهیزات آزمایشی پیچیده، روشهای آزمایش دقیق، و{4}}پرسنل آزمایشی آموزشدیده، شرایط اساسی یک شرکت برای حفظ موقعیت خود در صنعت است.
تجزیه و تحلیل سایر خواص مشخصه مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ تجزیه و تحلیل عملکرد الکتروشیمیایی مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ تجزیه و تحلیل مورفولوژی میکروسکوپی الکترونی مواد فسفات آهن لیتیوم
▲انرژی سطح مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ اندازه گیری حلالیت آهن در مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ ویژگی های طیف سنجی مواد فسفات آهن لیتیوم
در کاربرد عملی مواد فسفات آهن لیتیوم، علاوه بر آزمایشهای معمول عملکرد، اندازهگیری برخی خواص خاص نیز برای ارائه مرجعی برای ارزیابی عملکرد مواد و فرآیندهای ساخت باتری ضروری است. با پیشرفت تکنولوژی، برخی از پارامترهایی که قبلا فقط با استفاده از سلول های کامل اندازه گیری می شدند، اکنون می توانند با روش های ساده تعیین شوند. به عنوان مثال، عملکرد چرخه مواد فسفات آهن لیتیوم، به ویژه عملکرد چرخه کربن، اکنون می تواند با استفاده از سلول های سکه ای طراحی شده ویژه ارزیابی شود، که فرآیند اندازه گیری را بسیار ساده می کند.
فناوری ساخت باتری با استفاده از مواد فسفات آهن لیتیوم
▲ مشخصات طراحی سیستم باتری لیتیوم فسفات آهن
▲فناوری تهیه دوغاب مواد فسفات آهن لیتیوم
▲پوشش دوغاب لیتیوم فسفات آهن
▲ نورد الکترودهای فسفات آهن لیتیوم
▲ تحول و تقسیم
▲نمونه های دیگر ساخت باتری
برای هر باتری لیتیوم-یون، طراحی اولیه وظیفه اصلی است. کار طراحی شامل تعیین فرآیند تولید باتری لیتیوم-یونی است. از آنجایی که عملکرد باتری عمدتاً توسط الکترودها تعیین می شود، طراحی الکترود یک جنبه اصلی فرآیند تولید باتری است. این موضوع در مورد باتری های لیتیوم آهن فسفات نیز صادق است.
زمینه های اصلی کاربرد باتری های لیتیوم آهن فسفات
▲کاربرد باتری های فسفات آهن لیتیوم در وسایل حمل و نقل الکتریکی
▲کاربرد باتری های لیتیوم آهن فسفات در منبع تغذیه ذخیره انرژی
▲کاربرد باتری های لیتیوم آهن فسفات در ابزارهای برقی
▲کاربرد باتری های لیتیوم آهن فسفات
فسفات آهن لیتیوم (LFP) ماده کاتدی برای باتریهای لیتیوم{0} یونی است و بزرگترین مزیت آن ایمنی بالای آن است. همچنین دارای مزایایی است که اکسید لیتیوم منگنز و نیکل-منگنز{3}}مواد سه تایی کبالت فاقد آن هستند، مانند عمر چرخه طولانی، هزینه مواد کم و منابع مواد خام فراوان. باتری های LFP دارای ولتاژ پایدار، ولتاژ عملیاتی متوسط، سازگاری خوب با سیستم های الکترولیت، غیر سمی هستند، اثر حافظه ندارند و محیط را آلوده نمی کنند. انرژی ویژه آنها می تواند به 100-130 Wh/kg برسد، که 0.3-5 برابر باتری های سرب{11}اسید و 1.5 برابر باتری های نیکل{13}}هیدرید فلزی است. با توجه به مزایای بی شماری که دارد، باتری ایده آلی برای وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره انرژی باد و خورشید و باتری های پشتیبان ایمن برای مصارف خانگی در نظر گرفته می شود.
چشم انداز سایر مواد کاتدی برای باتری های لیتیوم{0} یون
▲مواد کاتد لیتیوم وانادیم فسفات -
▲مواد کاتد لیتیوم منگنز فسفات
▲مواد کاتد سیلیکات آهن لیتیوم
▲مواد کاتد بورات آهن لیتیوم
▲لیتیوم-مواد کاتدی لایهای غنی
ظهور مواد فسفات آهن لیتیوم (LFP) پایه علم مواد را برای کاربرد گسترده باتریهای لیتیوم- در مقیاس بزرگ ایجاد کرد.
همانطور که شناخته شده است، ایمنی باتریهای لیتیوم{0} یون همیشه یک مسئله اصلی و حیاتی بوده است که توسعه صنعت را محدود میکند. حتی در کشورهای توسعهیافته با خواص مواد پایدار و تجهیزات پردازش پیچیده، ایمنی باتریهای لیتیوم- یون را نمیتوان به طور کامل تضمین کرد. با توجه به سطح نسبتاً پایین فعلی پردازش باتری لیتیوم-یون در کشور من، LFP به خوبی-با شرایط ملی کشور من سازگار است و ایمنی باتری را به طور قابل توجهی بهبود میبخشد.