Com o ajustamento contínuo da estrutura energética global e o rápido desenvolvimento das energias renováveis,armazenamento de energiaa tecnologia está gradualmente a tornar-se um apoio importante para a transformação energética e para impulsionar o desenvolvimento económico futuro.
Introdução à tecnologia de baterias de armazenamento de energia
▲Conversão, armazenamento e utilização de energia
▲Classificação e Aplicação de Tecnologias de Armazenamento de Energia
▲Visão geral das baterias de armazenamento de energia
▲Princípio de funcionamento e composição de baterias de armazenamento de energia
▲Indicadores de desempenho e terminologia relacionada de baterias de armazenamento de energia
A energia é a força fundamental que impulsiona o mundo e um recurso fundamental do qual a sociedade humana depende para o desenvolvimento. Desde a utilização inicial do fogo até à electricidade actual, o desenvolvimento e a utilização da energia impulsionaram o progresso da civilização e moldaram a nossa actual estrutura social.
Com o crescimento contínuo da procura global de energia e o rápido desenvolvimento das energias renováveis, a tecnologia de baterias de armazenamento de energia emergiu e tornou-se um pilar crucial do sector energético. As baterias de armazenamento de energia podem armazenar com eficácia fontes de energia intermitentes, como energia eólica e solar, e liberá-las durante períodos de pico de demanda, garantindo a estabilidade do fornecimento de energia. Esta tecnologia não só reduz a dependência dos combustíveis fósseis tradicionais, mas também fornece garantias importantes para alcançar sistemas energéticos sustentáveis e de baixo-carbono.
O desenvolvimento da tecnologia de baterias de armazenamento de energia, desde as tradicionais baterias de{0}}chumbo-ácido até as modernas baterias de-íon de lítio e, em seguida, até as emergentes baterias de estado-sólido e de íon-de sódio, está constantemente rompendo gargalos tecnológicos. Ao melhorar a densidade energética, prolongar a vida útil e aumentar a segurança, as baterias de armazenamento de energia têm mostrado amplas perspectivas de aplicação em áreas como armazenamento doméstico de energia, transporte e regulação da rede. Pode-se dizer que a tecnologia de baterias de armazenamento de energia não é apenas fundamental para a atual transformação da estrutura energética, mas também o núcleo das futuras redes inteligentes e sistemas de energia distribuída.
Tecnologia de armazenamento de energia de bateria-baseada em lítio
▲Estrutura e princípio de funcionamento das baterias de-íon de lítio
▲Materiais de cátodo de bateria de-íon de lítio
▲Materiais de ânodo de bateria-de íon de lítio
▲Eletrólito de bateria-de íon de lítio
▲Projeto e fabricação de baterias de-íon de lítio
Em 1970, MS Whittingham da ExxonMobil criou a primeira bateria de íons de lítio. Ele usou dissulfeto de titânio e lítio metálico como eletrodos positivo e negativo, respectivamente. Durante a carga e descarga, o lítio metálico é continuamente consumido e gerado no eletrodo negativo, enquanto o dissulfeto de titânio insere e extrai continuamente íons de lítio no eletrodo positivo. Esses dois processos são reversíveis ao longo da vida útil da bateria, formando assim uma bateria secundária de íons de lítio com tensão de 2 V. Em 1982, RR Agarwal e JR Selman do Instituto de Tecnologia de Illinois descobriram que os íons de lítio têm a propriedade de se intercalar em grafite, um processo rápido e reversível... Desde seu início, as baterias de íons de lítio passaram por um processo de pesquisa, desenvolvimento e evolução. Com seu desempenho superior e conveniente, eles estão penetrando cada vez mais em vários campos, desde produtos 3C, como telefones celulares e tablets, até setores de energia, como veículos elétricos, e campos de armazenamento de energia em grande-escala, como energia fotovoltaica e eólica, impactando significativamente a vida social.
O que é uma bateria?
▲ História do desenvolvimento da bateria
▲Introdução às baterias-de íon de lítio
▲Recursos das baterias de íon-de lítio
▲Materiais essenciais em baterias de-íon de lítio
Uma bateria é um tipo de fonte de energia. As fontes de energia são geralmente divididas em fontes de energia física e fontes de energia química. As fontes físicas de energia incluem dispositivos de geração de energia solar, dispositivos de geração de energia termoelétrica, geradores térmicos e hidrelétricos, etc.; enquanto fontes de energia química referem-se a dispositivos de geração de energia que podem converter diretamente energia química em energia elétrica, ou seja, baterias químicas no sentido geral, ou simplesmente baterias.
Os sistemas de baterias evoluíram ao longo de quatro gerações: baterias de-chumbo-ácido, baterias de níquel-cádmio, baterias de níquel-hidreto metálico e baterias de íon-de lítio. O desempenho da bateria melhorou continuamente e a compreensão humana dos sistemas de bateria se aprofundou. Atualmente, as baterias de-íon de lítio são o sistema de bateria recarregável mais eficiente e{7}}energeticamente eficiente, representando o mais alto nível de pesquisa e tecnologia de baterias humanas.
História de pesquisa e desenvolvimento de materiais de fosfato de ferro e lítio
▲ História de desenvolvimento de materiais de fosfato de ferro e lítio
▲ Situação de patente de fosfato de ferro-lítio
▲ Estudos estruturais e de desempenho de materiais de fosfato de ferro-lítio
O fosfato de ferro-lítio (LiFeP, LFP, também conhecido como fosfato de ferro-lítio ou fosfato de ferro-lítio) é um material catódico usado em baterias de íons de lítio. Caracteriza-se pela ausência de elementos preciosos como o cobalto e o níquel, os baixos preços das matérias-primas e a abundância de recursos de fósforo, lítio e ferro na crosta terrestre, que podem satisfazer a procura do mercado superior a um milhão de toneladas por ano. Como material catódico, o fosfato de ferro-lítio tem uma tensão operacional moderada (3,2 V), alta capacidade específica (170 mAh·h/g), alta potência de descarga, capacidade de carregamento rápido, ciclo de vida longo e boa estabilidade em ambientes de alta temperatura e alto calor.
Equipamento de produção utilizado na fabricação de materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Requisitos de equipamento de produção:;Equipamento de mistura;Equipamento de secagem;Equipamento de sinterização;Equipamento de britagem; Equipamento de triagem; Gerador de nitrogênio; Equipamento de embalagem.
Quando materiais catódicos de fosfato de ferro-lítio (LFP) são usados na fabricação de baterias de íons de lítio, os requisitos de pureza, fase e impurezas são extremamente rigorosos. Por exemplo, quando o grau de oxidação do ferro divalente no LFP atinge 1%, a capacidade específica pode diminuir em mais de 30%. Isto ocorre porque o ferro trivalente recém-gerado reveste a superfície do LFP, formando uma camada reativa que evita futuras reações internas. Se o LFP já tiver sido oxidado, os métodos de redução subsequentes não poderão produzir LFP porque os íons de lítio na matéria-prima já foram perdidos.
Preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio pelo método de oxalato ferroso
▲ Princípio de síntese
▲Principais matérias-primas sintéticas
▲ Processo de síntese
▲Desempenho de materiais sintéticos
O processo de síntese de fosfato de ferro-lítio usando oxalato ferroso como matéria-prima é denominado método do oxalato ferroso (ou simplesmente método ferroso). Atualmente, o método do oxalato ferroso é o processo e método mais utilizado na China, com mais da metade dos fabricantes nacionais o utilizando. Suas principais vantagens são o baixo custo da matéria-prima, o processo simples e o fácil controle da proporção dos ingredientes.
Preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio por redução carbotérmica
▲ Princípio de síntese
▲Principais matérias-primas sintéticas
▲ Processo de síntese
▲Desempenho de materiais sintéticos
Entre os fabricantes que produzem materiais de fosfato de ferro-lítio (LiFePO4), o método de redução carbotérmica é atualmente a segunda tecnologia mais utilizada depois do método de oxalato ferroso. Sua principal matéria-prima é o ferro férrico (Fe2PO4), incluindo fosfato de ferro (Fe2PO4) e óxido de ferro (Fe2O3). Durante a reação, o carbono (C) e o monóxido de carbono (C2O3) reduzem o ferro férrico (Fe2PO4) a ferro ferroso (Fe2+), que então entra na rede cristalina, formando a estrutura cristalina do fosfato de ferro-lítio (LiFePO4).
A vantagem do método de redução carbotérmica é que a oxidação das matérias-primas não precisa ser considerada durante o processamento; vários métodos de mistura podem ser usados para processar as matérias-primas para atingir o estado de dispersão desejado. Somente no estágio de alta temperatura o carbono reduz o ferro férrico em ferro ferroso, formando fosfato de ferro-lítio, daí o nome método de redução carbotérmica. O método de redução carbotérmica atinge uma-redução de etapa, reduz a produção de gás e é benéfico para melhorar o rendimento. Ao mesmo tempo, o processo de síntese é simples e fácil de controlar, fazendo com que um número cada vez maior de empresas adotem o método de redução carbotérmica.
Preparação hidrotérmica de materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Princípio de síntese
▲Principais matérias-primas sintéticas
▲ Processo de síntese
▲Desempenho de materiais sintéticos
O método hidrotérmico é um método relativamente avançado para a preparação de materiais catódicos de fosfato de ferro-lítio. Seu processo principal utiliza um sistema hidrotérmico supercrítico, dissolvendo sulfato ferroso, hidróxido de lítio e ácido fosfórico em água, aquecendo a solução a mais de 100 graus em um ambiente selado para formar uma solução aquosa de alta-temperatura e alta-pressão. A reação prossegue através da difusão iônica, gerando partículas de cristal de fosfato de ferro-lítio. O material puro de fosfato de ferro-lítio é então filtrado, seco e-revestido com carbono para formar um composto de fosfato de ferro-lítio/carbono.
Métodos convencionais de teste e análise para materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Análise de composição química e métodos de teste para materiais de fosfato de ferro-lítio
▲Métodos de teste de propriedades físicas para materiais de fosfato de ferro-lítio
▲Métodos de teste de desempenho eletroquímico para materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Avaliação de aplicações práticas de materiais de fosfato de ferro e lítio
Para materiais de fosfato de ferro-lítio (LFP), o teste é uma tecnologia central, ainda mais importante do que o controle do processo de síntese. Sem dados de teste precisos e exatos, não podem ser obtidas condições de processo estáveis e, portanto, não podem ser produzidos produtos LFP qualificados que atendam aos requisitos de uso. Testes rigorosos de materiais são essenciais em todo o processo de produção, desde a aquisição e síntese de matérias-primas até a avaliação do produto acabado. Portanto, qualquer unidade que pesquise e produza LFP deve dar grande ênfase à construção do seu sistema de testes. Empregar equipamentos de teste sofisticados, métodos de teste rigorosos e pessoal de teste bem-treinado são condições fundamentais para uma empresa manter sua posição no setor.
Análise de outras propriedades características de materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Análise de desempenho eletroquímico de materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Análise morfológica microscópica eletrônica de materiais de fosfato de ferro e lítio
▲ Energia superficial de materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Medição da solubilidade do ferro em materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Características espectroscópicas de materiais de fosfato de ferro-lítio
Na aplicação prática de materiais de fosfato de ferro-lítio, além dos testes de desempenho de rotina, também é necessário medir algumas propriedades específicas para fornecer uma referência para avaliação de desempenho de materiais e processos de fabricação de baterias. Com o avanço da tecnologia, alguns parâmetros que antes só podiam ser medidos com células completas agora podem ser determinados usando métodos simples. Por exemplo, o desempenho do ciclo de materiais de fosfato de ferro-lítio, especialmente o desempenho do ciclo do carbono, pode agora ser avaliado usando células tipo moeda especialmente projetadas, simplificando bastante o processo de medição.
Tecnologia de fabricação de baterias usando materiais de fosfato de ferro-lítio
▲ Especificações de projeto do sistema de bateria de fosfato de ferro e lítio
▲ Tecnologia de preparação de pasta de material de fosfato de ferro e lítio
▲Revestimento de pasta de fosfato de ferro-lítio
▲ Laminação de eletrodos de fosfato de ferro-lítio
▲Transformação e Divisão
▲ Outros exemplos de fabricação de baterias
Para qualquer bateria de íon-de lítio, o projeto inicial é a tarefa principal. O trabalho de design envolve determinar o processo de fabricação da bateria de íons de lítio. Como o desempenho da bateria é determinado principalmente pelos eletrodos, o design do eletrodo é um aspecto central do processo de fabricação da bateria. Isto também se aplica às baterias de fosfato de ferro-lítio.
Principais áreas de aplicação de baterias de fosfato de ferro-lítio
▲Aplicações de baterias de fosfato de ferro-lítio em dispositivos de transporte elétrico
▲Aplicações de baterias de fosfato de ferro-lítio na fonte de alimentação de armazenamento de energia
▲Aplicações de baterias de fosfato de ferro-lítio em ferramentas elétricas
▲Aplicações de baterias de fosfato de ferro-lítio
O fosfato de ferro-lítio (LFP) é o material catódico das baterias de íon-lítio e sua maior vantagem é a alta segurança. Ele também possui vantagens que os materiais ternários de óxido de manganês de lítio e níquel{2}}manganês-cobalto não possuem, como ciclo de vida longo, baixo custo de material e fontes abundantes de matéria-prima. As baterias LFP têm tensão estável, tensão operacional moderada, boa compatibilidade com sistemas eletrolíticos, não são-tóxicas, não têm efeito memória e não poluem o meio ambiente. Sua energia específica pode atingir 100–130 Wh/kg, o que é 0,3–5 vezes maior que a das baterias-de chumbo-ácido e 1,5 vezes maior que a das baterias-de níquel-hidreto metálico. Dadas as suas inúmeras vantagens, é considerada uma bateria ideal para veículos elétricos, armazenamento de energia eólica e solar e baterias de reserva seguras para uso doméstico.
Perspectiva para outros materiais catódicos para baterias de-íon de lítio
▲Material catódico de fosfato de lítio vanádio -
▲ Material catódico de fosfato de manganês e lítio
▲ Material catódico de silicato de ferro e lítio
▲ Material catódico de borato de ferro e lítio
▲Materiais catódicos-ricos em camadas de lítio
O surgimento de materiais de fosfato de ferro-lítio (LFP) lançou as bases da ciência de materiais para a ampla aplicação de baterias de íons de lítio-de larga escala.
Como é sabido, a segurança das baterias de íons de lítio sempre foi uma questão central e crítica que restringe o desenvolvimento da indústria. Mesmo em países desenvolvidos com propriedades de materiais estáveis e equipamentos de processamento sofisticados, a segurança das baterias de íon-de lítio não pode ser totalmente garantida. Dado o atual nível relativamente baixo de processamento de baterias de íons de lítio-no meu país, o LFP é bem-adequado para as condições nacionais do meu país, melhorando significativamente a segurança da bateria.