リン酸鉄リチウム電池の7つの長所と5つの短所を知っていますか

リン酸鉄リチウム電池の正式名称はリン酸鉄リチウム電池です。名前が長すぎます。リン酸鉄リチウム電池は、リン酸鉄リチウム電池と略されます。その性能は特に電力用途に適しているため、「電力」という言葉が名前に追加されています。つまり、リン酸鉄リチウムパワーバッテリーです。他の人はそれを「リチウム鉄（LiFe）パワーバッテリー」と呼びます。

動作原理

リン酸鉄リチウム電池とは、陰極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池のことです。リチウムイオン電池の主な陰極材料は、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、酸化リチウムニッケル、三元材料、リン酸鉄リチウムです。その中で、コバルト酸リチウムはほとんどのリチウムイオン電池で使用されているカソード材料です。

意義

金属市場では、コバルト（Co）が最も高価であり、貯蔵容量が少なくなっています。ニッケル（Ni）とマンガン（Mn）は安価ですが、鉄（Fe）はより多くの貯蔵容量を持っています。カソード材料の価格もこれらの金属の価格と一致しています。したがって、LiFePO4カソード材料で作られたリチウムイオン電池は非常に安価であるはずです。もう一つの特徴は、環境に優しく、汚染がないことです。

二次電池の要件は次のとおりです。大容量、高出力電圧、良好な充放電サイクル性能、安定した出力電圧、高電流充放電、電気化学的安定性、使用中の安全性（過充電の不適切な動作による燃焼や爆発を引き起こさない） 、過放電および短絡）、広い動作温度範囲、無毒または低毒性、および環境への汚染がありません。カソードとしてLiFePO4を備えたリン酸鉄リチウム電池は、特に高放電率放電（5-10C放電）、安定した放電電圧、安全性（非燃焼、非爆発）、寿命（サイクル数）、および汚染なしで優れた性能要件を備えています。環境。現在最高の大電流出力パワーバッテリーです。

構造と動作原理

LiFePO4はバッテリーの正極として機能します。真ん中のアルミホイルと高分子膜で電池の正極に接続されています。正極と負極を分離します。ただし、リチウムイオンはバッテリーの負極を通過できますが、電子電子は通過できません。右側では、バッテリーの負極がカーボン（グラファイト）で構成されており、銅箔がバッテリーの負極に接続されています。バッテリーの上端と下端の間にはバッテリーの電解質があり、金属シェルによって密封およびカプセル化されています。

LiFePO4バッテリーが充電されると、放電中に正極のリチウムイオンLiがポリマーダイアフラムを介して負極に移動し、負極のリチウムイオンLiがダイアフラムを介して正極に移動します。リチウムイオン電池は、充電および放電中にリチウムイオンが前後に移動することから名付けられました。

主なパフォーマンス

LiFePO4バッテリーの公称電圧は3.2V、終端充電電圧は3.6V、終端放電電圧は2.0Vです。さまざまなメーカーで使用されている正極材と負極材、電解質材の品質と技術が異なるため、性能も異なります。たとえば、同じ種類のバッテリー（同じパッケージの標準バッテリー）の容量はかなり異なります（10％〜20％）。

ここで、異なる工場で製造されたリン酸鉄リチウムパワーバッテリーの性能パラメーターにはいくつかの違いがあることが指摘されています。さらに、バッテリーの内部抵抗、自己放電率、充電および放電温度など、一部のバッテリー性能は含まれていません。

リン酸鉄リチウム電池の容量はかなり異なり、0から数ミリアンペアの小さな時間、数十ミリアンペアの時間、数百ミリアンペアの大きな時間の3つのカテゴリに分類できます。異なるタイプのバッテリーの同じパラメーターも異なります。

ゼロ電圧テストへの過放電：

リン酸鉄リチウムパワーバッテリーSTL18650（1100mAh）を使用して、ゼロ電圧への放電をテストしました。テスト条件：1 100 mAh STL18650バッテリーに0.5Cの充電率を充填し、1.0Cの放電率で0Cのバッテリー電圧に放電しました。バッテリーは2つのグループに分けられます。1つのグループは7日間保管され、もう1つのグループは30日間保管されます。保管期間が終了すると、バッテリーは0.5Cの充電率で満たされ、1.0Cで放電されます。最後に、2つのゼロ電圧ストレージ期間の違いが比較されます。

テスト結果は、ゼロ電圧ストレージの7日後、バッテリーに漏れがなく、良好なパフォーマンスと100％の容量があることを示しています。 30日間の保管後、バッテリーには漏れがなく、良好なパフォーマンスと98％の容量があります。 30日間の保管後、バッテリーには3回の充電と放電のサイクルがあり、容量は100％に戻ります。

このテストは、リン酸鉄リチウム電池が過放電（0Vまで）されて一定期間保管されても、電池が漏れたり損傷したりしないことを示しています。これは、他の種類のリチウムイオン電池にはない特徴です。

利点

1.安全性能の向上

リン酸鉄リチウム結晶のPO結合は安定しており、分解しにくいです。高温や過充電でもコバルト酸リチウムのように崩壊・加熱したり、強い酸化性物質を形成したりしないため、安全性に優れています。ニードルパンチや短絡実験で少数のサンプルが燃焼していることが報告されていますが、爆発は発生していません。過充電実験では、放電電圧自体の数倍の高電圧充電を使用した場合でも爆発が見られました。それにもかかわらず、その過充電の安全性は、通常の液体電解質コバルト酸リチウム電池と比較して大幅に改善されています。

2.寿命の改善

リン酸鉄リチウム電池とは、陰極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池のことです。

長寿命鉛蓄電池のサイクル寿命は約300倍、最大500倍です。リン酸鉄リチウム電池のサイクル寿命は2000倍以上で、標準充電率（5時間）は2000倍に達することがあります。同品質の鉛蓄電池は「新品半年、旧半年、メンテナンス半年」で、最長1〜1。5年です。同じ条件下でのリン酸鉄リチウム電池の理論寿命は7〜8年に達します。総合的に考えると、性能と価格の比率は、理論上、鉛蓄電池の4倍以上です。大電流放電は2Cを急速に充電および放電することができます。専用充電器で1.5C充電後40分以内に充電できます。始動電流は2Cに達する可能性がありますが、鉛蓄電池にはそのような性能はありません。

3.良好な高温性能

リン酸鉄リチウムのピーク値は350500に達する可能性がありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムのピーク値はわずか約200°Cです。動作温度範囲は広く（-20°C〜75°C）、耐熱性の高いリン酸鉄リチウムのピーク値です。 350-500（-20C-75C）に達する可能性がありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムは約200（-20C-75C）にすぎません。

4.大容量

充電バッテリーは、満杯で未完成の状態で動作することが多く、その容量は急速に定格容量を下回ります。この現象はメモリー効果と呼ばれます。たとえば、ニッケル水素電池とニッケルカドミウム電池にはメモリがありますが、リン酸鉄リチウム電池にはこの現象はありません。電池の状態に関係なく、電池を取り出して充電することなく、充電しながら使用できます。

6.軽量

同容量のリン酸鉄リチウム電池は、鉛蓄電池の2/3、重量は鉛蓄電池の1/3です。

7、環境保護

リン酸鉄リチウム電池は、ヨーロッパのRoHS規制に準拠して、重金属やレアメタル（ニッケル水素電池にはレアメタルが必要）、無毒（SGS認証）、無公害を含まないと一般に考えられています。 。したがって、リチウム電池が業界で支持されている理由は、主に環境への配慮です。そのため、バッテリーは「第10次5カ年計画」期間中の「863」国家ハイテク開発計画に含まれ、開発を支援および奨励するための国家主要プロジェクトとなっています。中国のWTOへの参入に伴い、中国の電動自転車の輸出量は急増し、欧米に参入する電動自転車には無公害のバッテリーを搭載することが求められています。

しかし、一部の専門家は、鉛蓄電池によって引き起こされる環境汚染は、主に企業の非標準的な製造プロセスとリサイクルプロセスで発生すると言います。同様に、リチウム電池は新エネルギー産業には適していますが、重金属汚染の問題を回避することはできません。鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、クロムは、金属加工中に粉塵や水に放出される可能性があります。バッテリー自体は一種の化学物質であるため、2種類の汚染を引き起こす可能性があります。1つは製造工学におけるプロセス排泄物汚染です。もう1つは、廃棄後のバッテリーの汚染です。

リン酸鉄リチウム電池には、低温での性能の低下、カソード材料の圧縮密度の低さ、コバルト酸リチウム電池と同等の容量のリン酸鉄リチウム電池の量が多いなどの欠点もあるため、マイクロ電池には利点がありません。 。パワーバッテリーの場合、他のバッテリーと同様に、リン酸鉄リチウムバッテリーはバッテリーの一貫性の問題に直面する必要があります。

リン酸鉄リチウム電池

欠点

材料に応用と開発の可能性があるかどうかは、その利点に注意を払うことに加えて、材料に根本的な欠陥があるかどうかがより重要です。

現在、中国ではパワーリチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムが広く使用されています。政府、研究機関、企業、さらには証券会社の市場アナリストはすべて、この材料をパワーリチウムイオン電池の開発の方向性と見なしています。これには主に2つの理由があります。1つは、米国の研究開発の方向性に影響され、米国のValenceとA123 Companyは、リチウムイオン電池のカソード材料としてリン酸鉄リチウムを最初に使用しました。第二に、パワーリチウムイオン電池用の優れた高温サイクルと貯蔵性能を備えたマンガン酸リチウム材料は、中国では準備されていません。しかし、リン酸鉄リチウムには、無視できないいくつかの根本的な欠陥もあります。要約すると、次の点があります。

1.リン酸鉄リチウム調製の焼結プロセスでは、高温還元雰囲気下で酸化鉄が元素鉄に還元される可能性があります。鉄は電池の中で最もタブーな物質であり、電池の短絡を引き起こす可能性があります。これが、日本がこの材料をパワーリチウムイオン電池のカソード材料として使用しなかった主な理由でもあります。

2.リン酸鉄リチウムには、圧縮密度や圧縮密度が低いなどの性能上の欠陥があり、リチウムイオン電池のエネルギー密度が低くなります。低温性能は劣りますが、ナノサイズでカーボンコーティングされていても、この問題は解決しません。アルゴンヌ国立研究所のエネルギー貯蔵システムセンターの所長であるドン・ヒルブランド博士は、彼がひどいと述べたリン酸鉄リチウム電池の低温性能について話しました。リン酸鉄リチウム電池に関する彼らのテスト結果は、リン酸鉄リチウム電池が低温（0℃未満）で電気自動車を運転できないことを示した。一部のメーカーは、リン酸鉄リチウム電池の容量保持率は低温で良好であると主張していますが、それは低放電電流と低カットオフ電圧の場合です。この場合、デバイスは単に作業を開始できません。

3.材料製造のコストは電池製造のコストよりも高く、電池の歩留まりは低く、一貫性は劣ります。リン酸鉄リチウムのナノ結晶化と炭素コーティングは材料の電気化学的特性を改善しますが、エネルギー密度の低下、合成コストの増加、電極の処理性能の低下、厳しい環境要件などの他の問題ももたらします。リン酸鉄リチウムに含まれる化学元素Li、Fe、Pは豊富で低価格ですが、リン酸鉄リチウム製品の価格は低くありません。以前の研究開発のコストを取り除いたとしても、この材料のプロセスコストとバッテリーの準備コストを加えると、最終的な単位エネルギー貯蔵コストが高くなります。

4.製品の一貫性が悪い。現在、この問題を解決するためのリン酸鉄リチウム材料工場は中国にありません。材料調製の観点から、リン酸鉄リチウムの合成は、固相リン酸、酸化鉄およびリチウム塩、炭素付加の前駆体および還元気相を含む複雑な多相反応である。この複雑な反応プロセスでは、反応の一貫性を確保することは困難です。

5.知的財産権。現在、リン酸鉄リチウムの基本特許は米国テキサス大学が所有しており、炭素被覆特許はカナダ人が出願しています。これらの2つの基本的な特許を回避することはできません。ロイヤルティをコストで計算すると、製品のコストはさらに増加します。

また、リチウムイオン電池の研究開発・製造の経験から、日本はリチウムイオン電池を商品化した最初の国であり、ハイエンドのリチウムイオン電池市場を占めています。米国はいくつかの基礎研究をリードしていますが、これまでのところ大手リチウムイオン電池メーカーはありません。したがって、日本がパワーリチウムイオン電池のカソード材料として変性マンガン酸リチウムを選択することはより合理的です。米国でも、リチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムとマンガン酸リチウムを使用しているメーカーが全体の半分を占めています。連邦政府も両方のシステムの開発をサポートしています。以上のリン酸鉄リチウムの問題点から、新エネルギー自動車などのパワーリチウムイオン電池の正極材料として広く利用することは難しい。マンガン酸リチウムが高温サイクルと貯蔵性能の低下の問題を解決できれば、低コストと高速性能という利点を備えたパワーリチウムイオン電池の用途に大きな可能性を秘めています。

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