リン酸鉄リチウム電池の長所と短所は何ですか

リン酸鉄リチウム電池の導入

リン酸鉄リチウム電池は、リチウムイオン二次電池に属しています。主な用途の1つはパワーバッテリーとして使用されます。 NI-MHおよびNi-Cdバッテリーよりも明らかな利点があります。

リン酸鉄リチウム電池の充電および放電率は比較的高く、80％〜90％です。鉛蓄電池のそれは80％です。

リン酸鉄リチウム電池の長所と短所

リン酸鉄リチウム電池の利点

安全性能の向上

リン酸鉄リチウム結晶のPO結合が安定しすぎて破壊できないことを考えると。構造を壊したり、加熱したり、強い酸化性物質を形成したりすることはなく、優れた安全性能を備えています。一部のサンプルでは、鍼治療後または短絡試験で燃焼現象が見られますが、爆発は見られないという事例が報告されています。それにもかかわらず、それは通常の液体電解質コバルト酸リチウム電池よりも安全性能において大きな進歩を遂げています。

サイクル寿命の改善

リン酸鉄リチウム電池は、リン酸鉄リチウムを陽極材料として使用したリチウムイオン電池です。

サイクル寿命の長い鉛蓄電池のサイクル寿命は300倍程度で、最大500倍です。ただし、リン酸鉄リチウムパワーバッテリーは2000倍以上に達する可能性があり、標準充電（5 Ah）では2000倍に達する可能性があります。同等の品質の鉛蓄電池は、新品として半年、古いものとして半年、メンテナンス後さらに半年使用できます。とりわけ、そのサイクル寿命は約1〜1。5年です。対照的に、リン酸鉄リチウム電池は、同じ状況下で理論的に7〜8年間使用できます。全体として、リン酸鉄リチウム電池の性能と価格の比率は、鉛蓄電池の4倍以上になります。 2C電流で急速充電でき、指定の充電器で1.5C下で40分以内に完全充電できます。始動電流は2Cに達する可能性がありますが、鉛蓄電池は現在そのような性能を備えていません。

良好な高温性能

動作温度範囲が広く（-20℃〜+ 75℃）、高温性能に優れています。リン酸鉄リチウムの電熱ピーク値は350℃〜500℃に達することがありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムは約200℃です。

大容量

リン酸鉄リチウム電池は、通常の電池（鉛蓄電池など）よりも容量が大きくなっています。 5AH-1000AH（シングルバッテリー）

メモリー効果なし

二次電池が常に完全に放電せずに動作する場合、その容量は定格容量よりも急速に低下します。この状況はメモリー効果と呼ばれます。 NI-MHバッテリーとニッケルカドミウムバッテリーにはメモリー効果がありますが、リン酸鉄リチウムバッテリーにはありません。その状態がどうであれ、いつでも充電して使用でき、完全に放電した後に再充電する必要はありません。

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。

環境を守ること

リン酸鉄リチウム電池は、重金属やレアメタルを含まないと考えられています（NI-MHバッテリーにはレアメタルが必要です）。毒性がなく（SGS認証に合格）、RoHS規制に適合した非常に環境に優しいバッテリーです。環境保護を考慮して、このバッテリーは「863」国のハイテク開発スキームにリストされており、国の支援と励ましで重要なプロジェクトになります。中国がWTOに加盟するにつれ、中国の電動自転車の輸出量は急速に増加するでしょう。現在、ヨーロッパに輸入するすべての電動自転車は、環境に優しいバッテリーを準備する必要があります。

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汚染は、主に不規則な製造プロセスと企業のリサイクル処理で発生すると述べています。同様に、リチウムイオン電池は、新エネルギー産業に属していても、重金属汚染を防ぐことはできません。処理中に、鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、クロムなどがほこりや水に放出される可能性があります。バッテリー自体は化学物質であるため、産業廃棄物とスクラップ後のバッテリー汚染の2種類の汚染を引き起こす可能性があります。

リン酸鉄リチウム電池には、低温性能の低下、アノード材料のタップ密度の小ささなどの欠点もあります。同じ容量のリン酸鉄リチウム電池は、コバルト酸リチウム電池よりも容量が大きいため、マイクロ電池にはメリットがありません。パワーバッテリーとして使用する場合は、他のバッテリーと同様に、バッテリーの一貫性の問題に対処する必要があります。

パワーバッテリーの比較

現在、パワーリチウムイオン電池で主に使用されているアノード材料には、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、Ni-Coマンガン酸リチウム三元材料が含まれます。この三元材料は、コバルト資源の不足、ニッケルの高コスト、コバルト、価格変動のため、電気自動車の電力リチウムイオン電池の主流になることは困難ですが、リチウムマンガナイトスピネルとある程度一緒に使用できます。

業界アプリケーション

カーボンコーティングされたアルミホイルは、技術革新と業界のアップグレードにおいてリチウムイオン電池業界を支援します。

リチウムイオン電池の製品性能を向上させ、放電率を向上させます。

国内の電池製造の性能要件がますます厳しくなるにつれて、新しいエネルギー電池材料が広く普及しています：導電性材料とアルミホイル/銅ホイル導電性コーティング。

その利点は次のとおりです。電池材料を扱う場合、優れた高い充電および放電性能、より大きな比容量がありますが、継続的な使用を停止するのに役立つサイクル安定性が低くなります。

製品の用途：ゴルフ車両のバッテリーパック内

これは、バッテリーの性能を向上させ、バッテリー業界を新しい時代に導く素晴らしいコーティングです。

導電性コーティングは、個別のナノ導電性グラファイト被覆粒子で構成されています。それは、保護特性を有するエネルギー吸収保護の層によって、優れた静的伝導性能を提供することができます。液体コーティングと溶剤コーティングがあります。どちらもアルミシート、銅板、ステンレス、アルミ、チタンのバイポーラプレートに使用できます。

カーボンコーティングは、以下のようにリチウムイオン電池の性能を向上させることができます。

バッテリーの内部抵抗を減らし、充電および放電プロセス中の動的抵抗の増加を抑制します。

どうやらバッテリーパックの一貫性を改善し、コストを削減します。

活物質と集電体の接着性を向上させ、ポールピースの製造コストを削減します。

分極を減らし、レート能力を改善し、低熱効果を減らします。

電解液が集電体を腐食するのを防ぎます。

バッテリーのサイクル寿命を延ばすために、すべての要素を制御します。

コーティングの厚さ：単層は通常1〜3μmです。

現在、日本と韓国は主に、アノード材料としてリチウムマンガナイトとNi-Coリチウムマンガナイト三元材料を使用したリチウムイオン電池を開発しています。アメリカは主に陽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を発明していますが、主要な自動車メーカーは、PHEVとEVにマンガンベースの陽極材料であるリチウムイオン電池を使用することを決定しました。アメリカのA123社はマンガナイトリチウム材料の分野への拡大を検討していると言われているが、ドイツなどのヨーロッパ諸国は、ダイムラーベンツとフランスサフトの提携など、他国のバッテリー会社と協力してパワービークルを開発することに専念している。 、ドイツのフォルクスワーゲンと日本の三洋電機とのコラボレーション契約。最近、ドイツのフォルクスワーゲンとフランスのルノーがリチウムイオン電池の開発と製造を行っています。

リン酸鉄リチウム電池の欠点

材料に応用の可能性があるかどうかは、その利点に依存するだけでなく、より重要な点は、それが根本的な欠点を持っているかどうかです。

最近、家庭用リチウムイオン電池のアノード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、科学研究機関、企業、さらにはセキュリティ企業の市場アナリストからも、この資料について楽観的であり、リチウムイオン電池の開発の方向性と見なされています。その理由としては、主に2つの要因があります。1つは、アメリカの発展の方向性の影響を受けます。 American ValenceとA123は、リチウムイオン電池のアノード材料としてリン酸鉄リチウムを使用した最初の2社です。また、家庭のリチウムイオン電池に使用できる高温循環・貯蔵性能の良いリチウムマンガン電池はありません。ただし、リン酸鉄リチウムには、次のようないくつかの顕著な根本的な欠点があります。

リン酸鉄リチウムの焼結プロセス中に、酸化鉄は高温還元条件下で鉄に戻る可能性があります。鉄はバッテリーの微小短絡を引き起こし、バッテリーの中で最もタブーです。これが、日本がリチウムイオン電池のアノード材料としてリン酸鉄リチウムを使用していない理由でもあります。

低いタップ密度や圧縮密度など、リン酸鉄リチウムにはいくつかの性能上の欠点があり、その結果、容量密度も低くなります。その上、その貧弱な低温性能の問題は、ナノ結晶化と炭素カプセル化によってさえ解決することができません。 American Argonne National Laboratorの貯蔵エネルギーシステムのセンターディレクターであるDonHillebrandの医師は、リン酸鉄リチウム電池の低温性能を「ひどい」という言葉で説明しました。リン酸鉄リチウム電池の試験結果によると、低温（0℃以下）の電気自動車には使用できません。一部の工場では、リン酸鉄リチウム電池の容量保持率は低温下でも問題ないと考えていますが、それは小さな放電電流と低い放電遮断電圧でのみ発生します。この状況では、デバイスは正常に動作できません。

リン酸鉄リチウムは、材料と製造コストが高く、製造歩留まりが低く、一貫性が低い。ナノ結晶化と炭素カプセル化は、材料の電気化学的性能を向上させますが、それでも、低エネルギー密度、材料合成の高コスト、電極の処理障害、環境の厳しい要件などの他の問題につながります。化学元素のLi、Fe、Pは豊富な資源で低価格ですが、リン酸鉄リチウムの製造工程コストは低くありません。研究開発費を除いて、材料処理コストとバッテリー処理は、最終的な単一ストレージ容量のコストを高くします。

製品の一貫性が悪い：この問題に対処できるリン酸鉄リチウムの工場はありません。材料処理に関しては、リン酸鉄リチウムの合成反応は、リン酸固体、酸化鉄、リチウム、炭素の前駆体、還元剤気相など、高度な不均一反応です。複雑な化学反応中の反応の一貫性を確認することは困難です。

知的財産の問題：リン酸鉄リチウムの最初の特許は、1993年6月25日にFXMITTERMAIER＆SOEHNEOHG（DE）によって申請されました。結果は翌年に発表されました。リン酸鉄リチウムの基本特許はテキサス大学に帰属し、炭素カプセル化特許はカナダ人に帰属します。これらの2つの特許使用料は、製品コストも増加させます。

リチウムイオン電池の研究開発と製造の経験に関しては、日本は最も早く商業化された国であり、常にハイエンドのリチウムイオン電池ビジネスで主導的な役割を果たしています。アメリカにはいくつかの主要な基礎研究がありますが、アメリカには大規模なリチウムイオン電池製造企業はありません。したがって、日本がリチウムイオン電池のアノード材料としてマンガン酸リチウムを使用することは理にかなっています。アメリカでも、リチウムイオン電池のアノード材料としてリン酸鉄リチウムとマンガナイトリチウムを使用しているメーカーの数は均等に分かれています。連邦政府は、これら両方の資料の研究開発を支援しています。以上のリン酸鉄リチウムの問題から、新エネルギー車分野でのリチウムイオン電池のアノード材料として広く使用することは困難です。いつの日か、誰かが高温循環と不十分な貯蔵性能の問題を解決することができれば、リン酸鉄リチウムは、低コストと高レート性能の利点を備えたリチウムイオンパワーバッテリーアプリケーションで本当に可能性があるはずです。

リン酸鉄リチウム電池の動作原理と特徴

リチウム鉄のフルネームはリチウム鉄リチウムイオン電池です。とても長い名前なので、リン酸鉄リチウム電池と呼べます。その性能は、いわゆるリン酸鉄リチウムパワーバッテリーと呼ばれる電力用途に非常に適しているため、Li-Feパワーバッテリーと呼ばれることもあります。

意義

この単語エントリの追加の終わり（2013年4月4日）までに、コバルトは貯蔵量の少ない商品市場で最も高価であり、ニッケルとマンガンはより安価であり、鉄は最も安価です。アノード材料の価格もこれらの金属と一致しています。したがって、アノード材料としてリン酸鉄リチウムを使用するリチウムイオン電池を使用するのが最も安価です。その上、それは環境に優しいです。

二次電池の要件：大容量、高出力電圧、良好な充電および放電リサイクル性能、安定した出力電圧、大電流による充電および放電、安定した電気化学性能、使用中の安全性の維持（燃焼や爆発を引き起こさない）過充電、過放電など）、広い動作温度の激怒、無毒またはほとんど毒性がなく、環境にやさしい。アノード材料としてLiFePO4を使用するリン酸鉄リチウム電池は、特に大きな放電率（5-10cで放電）、放電電圧の安定性、安全性（燃焼なし、爆発なし）、サイクル寿命（サイクル時間）、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。

構造と作業の原則

LiFePO4バッテリー内部の構造は、図1に示すとおりです。左側は、バッテリーのアノード材料としてのかんらん石構造のLiFePO4であり、アルミホイルとアノードで接続されています。中央のセパレーターはアノードとカソードを分離し、Li +は通過できますが、e-は通過できません。右側は、銅箔と陰極で接続された炭素（グラファイト）で結合された陰極です。上端と下端の間の電解液です。バッテリーは金属製のアウターで密閉されています。

充電中、リン酸鉄リチウム電池のLi +はポリマーセパレーターを介してカソードに伝達されます。放電中、Li +はセパレータを介してアノードに送信されます。このような充電・放電時のリチウムイオンの透過がリチウムイオン電池と呼ばれる理由です。

主要なパフォーマンス

LiFePO4バッテリーの公称電圧は3.2V、充電制限電圧は3.6V、エンドオフ電圧は2.0Vです。アノードとカソードの材料、電解質材料の品質とプロセスが異なるため、性能に違いがあります。たとえば、同じタイプ（同じパッケージの標準バッテリー）では、バッテリーの容量が大きく異なります（10％〜20％）。

リン酸鉄リチウムパワーバッテリーの主な性能を図1に示します。他の充電式バッテリーと比較するために、他のタイプの充電式バッテリーも示しています。異なるリン酸鉄リチウム電池工場の各性能パラメータにはいくつかの違いがあることに注意してください。また、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リストに含まれていません。

リン酸鉄リチウム電池の容量には大きな違いがあり、小規模は10分の数mAhから数mAh、中規模は数十mAh、大規模は数百mAhに分類できます。 。同じパラメータの異なるタイプのバッテリーにもいくつかの違いがあります。ここでは、広く使用されている円筒形の小規模リン酸鉄リチウムパワーバッテリーのパラメーターを示します。外形サイズ：直径18mm、高さ650mm（型番18650）。

ゼロ電圧テストへの過放電

STL18650（1100mAh）リン酸鉄リチウムパワーバッテリーでゼロ電圧まで放電するテストを行います。試験条件：0.5Cの充電率でバッテリーを充電し、1.0Cの充電率で電圧がゼロになるまで放電します。これらのバッテリーを2つのグループに分けます。1つは7日間、もう1つは30日間保管します。その後、0.5cの充電率で完全に充電し、1.0cで放電します。最後に、これら2種類のゼロ電圧蓄積時間の違いを調べます。

その結果、7日間のゼロ電圧ストレージ後の漏れがなく、良好なパフォーマンスと100％の容量が得られます。 30日後、漏れはなく、良好なパフォーマンスと98％の容量があります。 30日間の保管でバッテリーの充電と放電のサイクルを3回行うことで100％の容量を返すことができます。

このテストは、過放電（電圧がゼロになった場合でも）があっても、バッテリーに漏れや損傷がないことを証明します。

リン酸鉄リチウム電池の特徴

とりわけ、LiFePO4バッテリーの機能を次のように要約できます。

高効率出力：標準放電は2〜5C、連続大電流放電後は10cに達し、瞬時パルス放電は最大20Cです。

高温下での良好な性能：外部が65℃のときに内部温度が95℃に達します。放電終了後は160℃までで、構造は安全で無傷です。

バッテリーの内側と外側が損傷した場合でも、バッテリーに火がなく、爆発がなく、安全である方がよいでしょう。

500サイクル後も容量が95％を超えているため、素晴らしいサイクル寿命があります。

ゼロ電圧まで放電しても損傷はありません。

急速に充電できます。

低価格

環境への汚染はありません。

リン酸鉄リチウム電池の用途

リン酸鉄リチウム電池は、上記の利点により容量の異なる電池を製造できるため、急速に普及しています。その主な応用分野は次のとおりです。

大型電気自動車：バス、電気自動車、観光バス、HEVなど。

軽電気自動車：電気自転車、ゴルフカート、小型プレート式バッテリーカー、フォークリフト、清掃台車、電動車椅子など。

電動工具：電気ドリル、電気のこぎり、クロッパーなど。

ラジコンカー、ボート、飛行機などのおもちゃ。

太陽光発電と風力発電のエネルギー貯蔵装置

UPS＆非常灯、注意灯＆マイナーライト（素晴らしい安全性能）

カメラの3V使い捨てリチウムイオン電池、9Vニッケルカドミウムまたはニッケル水素充電式電池（完全に同じサイズ）の交換

小規模医療機器および携帯機器

ここでは、鉛蓄電池をリン酸鉄リチウム電池に交換するアプリケーション例を取り上げます。 36V / 10Ah（360Wh）12kgの鉛蓄電池は、1回の充電で約50kmの走行距離があります。バッテリーを約100回充電すれば、1年程度使用できます。 1回の充電で約80kmの走行距離、100回の充電が可能で、同じ容量360Wh（12 10Ah）の重さ4kgのリン酸鉄リチウム電池に交換すると、サイクル寿命は3〜5年になります。直列のバッテリー）。リン酸鉄リチウム電池は鉛蓄電池よりも高価ですが、一般的な経済力と携帯性を考慮して、リン酸鉄リチウム電池を使用することをお勧めします。

リン酸鉄リチウム電池の性能

リチウムイオン電池の性能は、アノードとカソードの材料に依存します。近年、リチウムイオン電池の材料としてリン酸鉄リチウムが使用されています。リン酸鉄リチウム電池は、2005年7月に自宅で乱雑に発明されました。安全性能とサイクル寿命は、パワー電池の最も重要な技術指標である他の材料とは異なります。充電と放電のサイクル寿命は1C電流で2000倍に達します。単一セルの30Vの過充電電圧後の火災はなく、パンクによる爆発もありません。リン酸鉄リチウム製の大容量リチウムイオン電池は、電気自動車の頻繁な充電と放電の要件を満たすために、直列に接続するのが簡単です。無毒、無公害、優れた安全性能、豊富な原材料、低コスト、長サイクル寿命などの利点を備えた、新時代のリチウムイオン電池の理想的なアノード材料です。

このプロジェクトは、ハイテク機能性エネルギー材料の開発、全国863プログラム、973プログラム、およびハイテク開発の主要サポートの第11次5カ年計画に属しています。

リチウムイオン電池のアノードは、安全性能とサイクル寿命という大きな利点を備えたリン酸鉄リチウムでできており、最も重要な技術指標の1つです。充電と放電のサイクル寿命は1C電流で2000倍に達します。パンクによる爆発はなく、過充電中に火災や爆発を引き起こすことは容易ではありません。リン酸鉄リチウム電池で製造された大容量のリチウムイオン電池を直列および並列に使用する方が簡単です。

リン酸鉄リチウム電池の科学的応用

最近、新しいタイプのバッテリーが素晴らしいプロセスを作り、従来のバッテリーを置き換えることが可能であるというニュースがたくさんあります。したがって、携帯電話やタブレットのサイクル寿命が長くなることが期待されます。ただし、これらのバッテリーのほとんどはまだ研究段階にあり、いつ市販されるかはわかりません。現在、新エネルギー会社であるDebochTEC.GmbHは、実装がより簡単な新エネルギー技術である鉄を含むリチウムイオン電池を発表しました。

DebochTEC.GmbHが発表したリン酸鉄リチウム電池のホワイトペーパーは、32650シングルセル（直径32mm /長さ65mm）のエネルギー密度が6000mAhに達する可能性があることを示しています。現在の業界の5000mAhの32650シングルセルと比較して、同じボリュームのバッテリーは1000mAh、つまり20％増加しているため、1つのセルでiPhone4Sにほぼ4回充電できます。

さらに、この種のバッテリーは、単一セルの低速充電および放電環境で3000回リサイクルした後、80％の容量を維持できますが、通常のバッテリーは同じ状況で500回しかリサイクルできません。 3日おきに充電・放電すれば24年使用できるので、サイクル寿命の長い真のバッテリーです。

この種の新しいタイプのバッテリー技術は、ポータブルパワーバンク、小規模UPS、ラップトップ、カーバッテリー、その他のデバイスで広く使用できます。 DebochTEC.GmbHは、さまざまなアプリケーション環境に対応するために、充電サイクルの違いに応じてさまざまな色のバッテリーを製造しています。金色のバッテリーは、3000倍のサイクル寿命を持つ軍用です。青いものは2500倍のサイクル寿命を持つ民間の自動車エリア用です。緑のものは、小規模のポータブルモバイルデバイス用です。