Le nom complet de la batterie au lithium fer phosphate est batterie au lithium fer phosphate lithium-ion, ce nom est trop long, appelé batterie au lithium fer phosphate. Parce que ses performances sont particulièrement adaptées aux applications de puissance, le mot « puissance » est ajouté au nom, c'est-à-dire batterie de puissance au lithium fer phosphate. Certaines personnes l'appellent également « batterie au lithium fer (LiFe) ».
Principe de fonctionnement
La batterie au lithium fer phosphate fait référence à une batterie lithium-ion utilisant du lithium fer phosphate comme matériau d'électrode positive. Les principaux matériaux cathodiques des batteries lithium-ion sont le lithium-cobalt, le manganate de lithium, le lithium-nickel, les matériaux ternaires, le lithium-fer phosphate, etc. Le cobaltate de lithium est le matériau d'anode utilisé dans la plupart des batteries lithium-ion.
importance
Sur le marché du commerce des métaux, le cobalt (Co) est le plus cher et a peu de stockage, le nickel (Ni) et le manganèse (Mn) sont moins chers et le fer (Fe) a plus de stockage. Le prix du matériau anodique est également en phase avec le prix de ces métaux. Par conséquent, les batteries lithium-ion fabriquées à partir de matériaux cathodiques LiFePO4 devraient être assez bon marché. Une autre caractéristique est l’absence de pollution pour l’environnement.
En tant que batterie rechargeable, les exigences sont les suivantes : capacité élevée, tension de sortie élevée, bonnes performances du cycle de charge-décharge, tension de sortie stable, charge-décharge à courant élevé, stabilité électrochimique, sécurité d'utilisation (ne provoquera pas de combustion ou d'explosion en raison d'un mauvais fonctionnement) telles que surcharge, décharge excessive et court-circuit), large plage de températures de fonctionnement, non toxique ou moins toxique, aucune pollution pour l'environnement. Les batteries au lithium fer phosphate utilisant LiFePO4 comme électrode positive répondent à ces exigences de performance, en particulier dans les décharges à grand taux de décharge (décharge 5 ~ 10C), tension de décharge stable, sécurité (pas de combustion, pas d'explosion), durée de vie (nombre de cycles), et aucune pollution pour l'environnement, c'est le meilleur, c'est actuellement la meilleure batterie de puissance de sortie à courant élevé.
Structure et principe de fonctionnement
LiFePO4, en tant qu'électrode positive de la batterie, est reliée par une feuille d'aluminium à l'électrode positive de la batterie. Au milieu se trouve un diaphragme en polymère, qui sépare l'électrode positive de l'électrode négative, mais l'ion lithium Li peut passer à travers et l'électron e- ne peut pas passer à travers. A droite se trouve l'électrode négative de la batterie composée de carbone (graphite), qui est reliée à l'électrode négative de la batterie par une feuille de cuivre. Entre les extrémités supérieure et inférieure de la batterie se trouve l'électrolyte de la batterie, et la batterie est scellée par une coque métallique.
Lorsque la batterie LiFePO4 est chargée, le lithium-ion Li de l'électrode positive migre vers l'électrode négative à travers le diaphragme polymère ; Pendant le processus de décharge, l'ion lithium Li dans l'électrode négative migre à travers le diaphragme jusqu'à l'électrode positive. Les batteries lithium-ion doivent leur nom au fait que les ions lithium migrent d'avant en arrière lorsqu'elles sont chargées et déchargées.
Performance principale
La tension nominale de la batterie LiFePO4 est de 3,2 V, la tension de charge de terminaison est de 3,6 V et la tension de décharge de terminaison est de 2,0V. En raison de la qualité et du processus différents des matériaux d'électrodes positives et négatives et des matériaux électrolytiques utilisés par différents fabricants, leurs performances seront quelque peu différentes. Par exemple, pour le même modèle (le même paquet de batterie standard), la capacité de sa batterie présente une grande différence (10 % à 20 %).
Il convient de noter ici qu'il existe certaines différences dans les paramètres de performance des batteries au lithium fer phosphate produites par différentes usines ; De plus, certaines performances de la batterie ne sont pas incluses, telles que la résistance interne de la batterie, le taux d'autodécharge, la température de charge et de décharge.
La capacité des batteries au lithium fer phosphate est très différente et peut être divisée en trois catégories : de petits dixièmes à quelques milliampères, des dizaines de milliampères de taille moyenne et de grandes centaines de milliampères. Il existe également des différences dans les mêmes paramètres des différents types de batteries.
Test de décharge excessive jusqu'à tension nulle :
Le test de décharge à tension nulle de la batterie d'alimentation au lithium fer phosphate STL18650(1100mAh) a été effectué. Conditions de test : chargez la batterie 1100mAh STL18650 avec un taux de charge de 0,5 C, puis déchargez-la avec un taux de décharge de 1,0 C jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne 0 C. Ensuite les batteries placées en 0V sont divisées en deux groupes : un groupe est stocké pendant 7 jours, l'autre groupe est stocké pendant 30 jours ; Une fois le stockage expiré, il est rempli avec un taux de charge de 0,5 C, puis déchargé avec un taux de charge de 1,0 C. Enfin, la différence entre les deux périodes de stockage à tension nulle est comparée.
Le résultat du test est qu'après 7 jours de stockage à tension nulle, la batterie ne présente aucune fuite, de bonnes performances et la capacité est de 100 % ; Après 30 jours de stockage, aucune fuite, bonnes performances, capacité de 98 % ; Après 30 jours de stockage, la batterie est chargée et déchargée pendant 3 cycles supplémentaires et la capacité est restaurée à 100 %.
Ce test montre que même si la batterie au lithium fer phosphate a été déchargée (même à 0 V) et stockée pendant un certain temps, la batterie ne fuira pas et ne s'endommagera pas. Il s’agit d’une fonctionnalité que les autres types de batteries lithium-ion ne possèdent pas.
Avantage
1. Amélioration des performances de sécurité
La liaison PO dans le cristal de phosphate de fer et de lithium est stable et difficile à décomposer, même à haute température ou en cas de surcharge, elle ne s'effondrera pas, ne chauffera pas et ne formera pas de substances oxydantes fortes comme l'oxyde de lithium et de cobalt, elle a donc une bonne sécurité. Il a été rapporté qu'une petite partie de l'échantillon brûlait lors du fonctionnement réel de l'aiguille ou de l'expérience de court-circuit, mais il n'y a eu aucun événement d'explosion et l'expérience de surcharge a utilisé une charge à haute tension qui dépassait largement l'autodécharge. tension plusieurs fois, et il a été constaté qu'il y avait toujours une explosion. Cependant, sa sécurité contre les surcharges a été grandement améliorée par rapport aux batteries ordinaires à électrolyte liquide, au lithium et à l'oxyde de cobalt.
2. L'amélioration de la vie
La batterie au lithium fer phosphate est une batterie lithium-ion utilisant du lithium fer phosphate comme matériau d'électrode positive.
La durée de vie de la batterie au plomb longue durée est d'environ 300 fois et le maximum est de 500 fois, tandis que la batterie au lithium fer phosphate a une durée de vie de plus de 2 000 fois et la charge standard ({{5} }taux horaire) peut être utilisé 2000 fois. La batterie au plomb de même qualité est « nouvelle six mois, vieille six mois, entretien et maintenance pendant encore six mois », au plus 1 à 1,5 ans, et les batteries au lithium fer phosphate sont utilisées dans les mêmes conditions, la théorie la vie atteindra 7 à 8 ans. Dans l'ensemble, le rapport performance/prix est en théorie plus de 4 fois supérieur à celui des batteries au plomb. La décharge à courant élevé peut être une charge et une décharge rapides à courant élevé de 2C, sous le chargeur spécial, la charge de 1,5C peut être complètement chargée en 40 minutes, le courant de démarrage jusqu'à 2C, et les batteries au plomb n'ont pas cette performance.
3. Bonnes performances à haute température
La valeur maximale du phosphate de fer et de lithium peut atteindre 350 degrés -500 degrés, tandis que le manganate de lithium et le cobaltate de lithium ne sont qu'environ 200 degrés. La plage de températures de fonctionnement est large (-20C-- 75C) et le pic électrique du phosphate de fer et de lithium peut atteindre 350 degrés -500 degrés, tandis que l'acide lithium-manganèse et l'acide lithium-cobalt ne sont que environ 200 degrés.
4. Grande capacité
Les batteries fonctionnent souvent à condition qu'elles soient pleines et non déchargées, et la capacité sera rapidement inférieure à la valeur de capacité nominale, appelée effet mémoire. Comme le nickel-hydrure métallique, les batteries nickel-cadmium ont de la mémoire, et les batteries au lithium fer phosphate n'ont pas ce phénomène, quel que soit l'état dans lequel se trouve la batterie, elle peut être utilisée avec la charge, sans d'abord la placer puis la charger.
6. Poids léger
Le volume et le poids d'une batterie au lithium fer phosphate de même capacité représentent 2/3 du volume et 1/3 du poids d'une batterie au plomb.
7. Protection de l'environnement
Les batteries au lithium fer phosphate sont généralement considérées comme exemptes de métaux lourds et de métaux rares (les batteries à hydrure métallique de nickel ont besoin de métaux rares), non toxiques (certification SGS), non polluantes, conformes à la réglementation européenne RoHS, pour le vert absolu. certificat de batterie. Par conséquent, la raison pour laquelle les batteries au lithium sont optimistes de la part de l'industrie est principalement des considérations de protection de l'environnement, c'est pourquoi la batterie a été incluse dans le plan national de développement de haute technologie « 863 » au cours de la période du « dixième plan quinquennal », et est devenu un projet national clé pour soutenir et encourager le développement. Avec l'adhésion de la Chine à l'OMC, le volume des exportations de vélos électriques chinois augmentera rapidement, et les vélos électriques entrant en Europe et aux États-Unis devront être équipés de batteries non polluantes.
Cependant, certains experts ont déclaré que la pollution environnementale causée par les batteries au plomb se produit principalement dans le processus de production non standard et le processus de recyclage des entreprises. De même, les batteries au lithium appartiennent à la nouvelle industrie énergétique, c'est bien, mais cela ne peut éviter le problème de la pollution par les métaux lourds. Le plomb, l'arsenic, le cadmium, le mercure, le chrome, etc. lors du traitement des matériaux métalliques peuvent être libérés dans la poussière et l'eau. La batterie elle-même est une substance chimique, il est donc possible de produire deux types de pollution : l'une est la pollution des déchets de processus dans le projet de production ; La seconde est la pollution de la batterie après sa mise au rebut.
Les batteries au lithium fer phosphate ont également leurs inconvénients : tels que de mauvaises performances à basse température, une faible densité de vibration positive du matériau, le volume des batteries au lithium fer phosphate de même capacité est plus grand que celui des batteries lithium-ion telles que l'acide lithium-cobalt, elles n'ont donc pas un avantage en termes de micro-batteries. Lorsqu'elles sont utilisées dans des batteries de puissance, les batteries au lithium fer phosphate, comme les autres batteries, doivent faire face à des problèmes de cohérence de la batterie.
Défaut
Qu'un matériau ait le potentiel de développement d'applications, en plus de se concentrer sur ses avantages, le plus critique est de savoir si le matériau présente des défauts fondamentaux.
La Chine choisit désormais généralement le phosphate de fer et de lithium comme matériau d'électrode positive pour alimenter les batteries lithium-ion. Le gouvernement, les instituts de recherche scientifique, les entreprises et même les sociétés de valeurs mobilières et d'autres analystes du marché sont optimistes quant à ce matériau, en tant que développement de batteries lithium-ion de puissance. direction. Les raisons sont principalement les suivantes : premièrement, influencées par l'orientation de la recherche et du développement des États-Unis, les sociétés Valence et A123 aux États-Unis ont été les premières à utiliser le phosphate de fer lithium comme matériau d'électrode positive des batteries lithium-ion. Deuxièmement, il n’existe aucune préparation nationale de matériaux à base de manganate de lithium présentant de bonnes propriétés de cyclage et de stockage à haute température pour les batteries lithium-ion de puissance. Cependant, le phosphate de fer lithium présente également des défauts fondamentaux qui ne peuvent être ignorés, qui peuvent être résumés ainsi :
1. Dans le processus de frittage de la préparation du phosphate de fer et de lithium, l'oxyde de fer a la possibilité d'être réduit en fer élémentaire dans une atmosphère réductrice à haute température. Le fer élémentaire peut provoquer un micro-court-circuit de la batterie et constitue la substance la plus taboue de la batterie. C’est également la principale raison pour laquelle le Japon n’a pas utilisé ce matériau comme matériau d’électrode positive pour alimenter les batteries lithium-ion.
2. Le phosphate de fer et de lithium présente certains défauts de performance, tels que la densité de vibration et la densité de compactage est très faible, ce qui entraîne une faible densité énergétique des batteries lithium-ion. Les performances à basse température sont médiocres, même les revêtements nano et carbone n'ont pas résolu ce problème. Le Dr Don Hillebrand, directeur du Centre des systèmes de stockage d'énergie du Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis, lorsqu'il a parlé des performances à basse température des batteries au lithium fer phosphate, a utilisé un terme terrible pour décrire les résultats des tests des batteries lithium-fer phosphate lithium-ion. que les batteries au lithium fer phosphate à basse température (inférieures à 0 degré C) ne peuvent pas faire fonctionner les véhicules électriques. Bien que certains fabricants affirment que le taux de rétention de capacité des batteries au lithium fer phosphate est bon à basse température, c'est le cas dans le cas d'un faible courant de décharge et d'une faible tension de coupure de décharge. Dans ce cas, l'appareil ne fonctionnera pas du tout.
3. Le coût de préparation du matériau et le coût de fabrication de la batterie sont plus élevés, le rendement de la batterie est faible et la cohérence est mauvaise. Le revêtement nanométrique et carboné du phosphate de fer et de lithium améliore les performances électrochimiques du matériau, mais pose également d'autres problèmes, tels qu'une densité énergétique réduite, des coûts de synthèse accrus, de mauvaises performances de traitement des électrodes et des exigences environnementales strictes. Bien que les éléments chimiques Li, Fe et P dans le phosphate de fer et de lithium soient très riches et que leur coût soit faible, le coût du produit de phosphate de fer et de lithium préparé n'est pas faible, même si les coûts de recherche et de développement initiaux sont supprimés, le coût du processus du Le matériau et le coût élevé de préparation de la batterie rendront le coût unitaire final de stockage d'énergie plus élevé.
4. Mauvaise consistance du produit. À l’heure actuelle, il n’existe aucune usine de matériaux de phosphate de fer et de lithium en Chine pour résoudre ce problème. Du point de vue de la préparation des matériaux, la synthèse du phosphate de fer et de lithium est une réaction multiphasique complexe, avec du phosphate en phase solide, de l'oxyde de fer et du sel de lithium, plus un précurseur de carbone et une phase gazeuse réductrice. Dans ce processus réactionnel complexe, il est difficile de garantir la cohérence de la réaction.
5. Problèmes de propriété intellectuelle. À l'heure actuelle, le brevet de base pour le phosphate de fer et de lithium appartient à l'Université du Texas, tandis que le brevet du revêtement en carbone est déposé par des Canadiens. Ces deux brevets fondamentaux ne peuvent être contournés, si le coût de la redevance est calculé, le coût du produit sera encore augmenté.
De plus, grâce à son expérience en matière de recherche, développement et production de batteries lithium-ion, le Japon est le premier pays à commercialiser des batteries lithium-ion et a toujours occupé le marché des batteries lithium-ion haut de gamme. Bien que les États-Unis soient à la pointe en matière de recherche fondamentale, ils ne disposent pas encore d’un grand fabricant de batteries lithium-ion. Par conséquent, il est plus raisonnable pour le Japon de choisir du manganate de lithium modifié comme matériau d’électrode positive pour les batteries lithium-ion dynamiques. Même aux États-Unis, l'utilisation du phosphate de fer et du lithium-manganate de lithium comme source d'énergie pour les fabricants de matériaux cathodiques de batteries lithium-ion est également divisée, et le gouvernement fédéral soutient également le développement des deux systèmes. Compte tenu des problèmes ci-dessus existant dans le phosphate de fer et de lithium, il est difficile de l'utiliser largement comme matériau d'électrode positive pour alimenter les batteries lithium-ion dans des domaines tels que les véhicules à énergies nouvelles. Si nous pouvons résoudre le problème des mauvaises performances de cyclage et de stockage à haute température du manganate de lithium, avec ses avantages de faible coût et de performances élevées, il aura un grand potentiel dans l'application des batteries lithium-ion dynamiques.
