20 年間のバッテリーのカスタマイズ

リン酸鉄リチウム電池の7つの長所と5つの短所について

May 08, 2019   ページビュー:12837

リン酸鉄リチウム電池の正式名称は、リン酸鉄リチウムリチウムイオン電池です。その性能は特に電力用途に適しているため、「電力」という言葉がその名前、すなわちリン酸鉄リチウムパワーバッテリーに追加されています。 「リチウム鉄電池」と呼ぶ人もいます。

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動作原理

リン酸鉄リチウム電池は、正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です。リチウムイオン電池の正極材料は、主にリチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、三元材料、リチウム鉄リン酸塩などである。その中で、リチウムコバルト酸化物は、多くのリチウムイオン電池で使用される正極材料である。

意義

金属貿易市場では、コバルト(Co)が最も高価な金属であり、その貯蔵量は少ない。ニッケル(Ni)とマンガン(Mn)は比較的安価ですが、鉄(Fe)は大量に貯蔵されています。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、正極材料としてLiFePO4で作られたリチウムイオン電池は比較的安価であるはずです。それのもう一つの特徴は、それが環境に優しく、汚染されていないということです。

二次電池の要件は、大容量、高出力電圧、良好な充電および放電サイクル性能、安定した出力電圧、高電流の充電および放電、電気化学的安定性、および安全なアプリケーション(過充電、過放電、および原因となる可能性のある短絡なし)です。燃焼または探査)、広い動作温度範囲、無毒または低毒性、環境への汚染なし。 LiFePO4を正極として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放電)、安定した放電電圧、安全性(燃焼なし、爆発なし)、および耐用年数(サイクル数)において、これらの要件に対して優れた性能を発揮します。それは最高の大電流出力パワーバッテリーであり、環境に良いです。

構造と動作原理

LiFePO4は電池の正極として使用されます。アルミホイルで電池の正極に接続されています。真ん中にポリマーセパレーターがあります。リチウムイオンは通過できるが電子は通過できない負極から正極を分離します。右側はカーボン(グラファイト)で構成されています。電池の負極は銅箔で電池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液があり、バッテリーは金属製のケーシングで密閉されています。

LiFePO4バッテリーが充電中の場合、正極のリチウムイオンはポリマーセパレーターを通って負極に向かって移動します。放電期間中、負極のリチウムイオンはセパレータを介して正極に向かって移動します。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にちなんで名付けられました。

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。ポジティブ材料とネガティブ材料および電解質材料の品質とプロセスの違いにより、それらの性能にもいくつかの違いがあります。たとえば、同じモデル(同じパッケージの標準バッテリー)では、バッテリー容量に大きな違いがあります(10%から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は、さまざまな性能パラメーターにいくつかの違いがある可能性があることに注意してください。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。

リン酸鉄リチウムパワーバッテリーは容量に大きな違いがあり、3つのカテゴリに分類できます。小容量は1時間あたりミリアンペア未満、中容量は1時間あたり数十ミリアンペア、大容量は1時間あたり100ミリアンペアを超えます。異なるタイプのバッテリーの同じパラメーターにはいくつかの違いがあります。

ゼロ電圧テストまでの過放電:

STL18650(1100mAh)リン酸鉄リチウムパワーバッテリーは、ゼロ電圧テストへの過放電に使用されています。テスト条件:1100 mAh STL18650バッテリーは0.5Cの充電率で完全に充電され、バッテリー電圧が0Cになるまで1.0Cの放電率で放電され、0Vのバッテリーを2つのグループに分けます。 7日間保存され、もう1つは30日間保存されます。ストレージの有効期限が切れたら、0.5 Cの充電率で充電し、1.0 Cで放電します。最後に、ゼロ電圧のストレージ期間の違いを比較して調べます。

テストの結果、7日間のゼロ電圧ストレージの後、バッテリーに漏れはなく、パフォーマンスは良好で、容量は100%です。 30日間の保管後、漏れはなく、パフォーマンスは良好で、容量は98%です。 30日間の保管後、バッテリーはさらに3回充電および放電されます。容量は100%に復元されます。

このテストでは、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、電池の漏れや損傷がないことが示されています。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。

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リン酸鉄リチウム電池の利点

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、分解しにくく、コバルト酸リチウムのように崩壊したり加熱したりせず、高温や過充電でも強い酸化性物質を形成するため、安全性能に優れています。実際の操作では、鍼灸や短絡試験でサンプルのごく一部に燃焼現象が見られたとの報告がありますが、爆発はありませんでした。過充電実験では、自己放電電圧の数倍の高電圧で充電したところ、まだ爆発現象が見られました。それでも、通常の液体電解質コバルト酸リチウム電池と比較して、過充電安全性能が大幅に向上しています。

2 耐用年数の改善

リン酸鉄リチウム電池とは、正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。

長寿命の鉛蓄電池のサイクル寿命は約300倍で、最長は500倍です。リン酸鉄リチウムパワーバッテリーのサイクル寿命は2,000倍以上で、標準充電(5時間レート)は2000倍まで使用できます。同じ品質の鉛蓄電池のサイクルは、「新しい半年、古い半年、メンテナンス後半年以上」、最長1〜1。5年ですが、リン酸鉄リチウム電池は同じ条件下で使用されます。寿命は7〜8年になります。全体として、性能価格比は理論的には鉛蓄電池の4倍です。大電流放電は、大電流2Cで素早く充電・放電できます。専用充電器では、1.5C充電で40分以内に完全充電が可能で、始動電流は2Cに達することがありますが、鉛蓄電池にはそのような性能はありません。

3 高温性能

リン酸鉄リチウムのピーク温度は350°C〜500°C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°Cです。広い動作温度範囲(-20°C〜75°C)、高温耐性、リチウム鉄リン酸電気加熱のピークは350°C〜500°Cですが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムは約200°Cです。

4 大容量

充電式バッテリーは通常、完全に充電されていることが多い状態で動作しますが、過充電がない場合、その容量は定格容量よりも急速に低くなります。この現象はメモリー効果と呼ばれます。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ー効果がありますが、リン酸鉄リチウム電池にはありません。バッテリーの状態に関係なく、充電しながら使用でき、完全に放電した後だけでなく再充電することもできます。

6 軽量

同じ仕様容量のリン酸鉄リチウム電池の容量は鉛蓄電池の容量の2/3であり、重量は鉛蓄電池の1/3です。

7 環境にやさしい

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リン酸鉄リチウム電池は、一般に重金属やレアメタルが含まれていないと見なされ(Ni-MHバッテリーにはレアメタルが必要)、無毒(SGS認定)、無公害、欧州RoHS規制に合格しています-絶対的なグリーンバッテリー証明書です。したがって、リチウムイオン電池が業界で支持されている理由は、環境への配慮によるものです。そのため、バッテリーは「第15回国民会議」期間中の「863」国家ハイテク開発計画に含まれ、国家の主要な支援および奨励開発プロジェクトになりました。中国がWTOに加盟することで、中国での電動自転車の輸出量は急速に増加し、欧米に入る電動自転車には無公害のバッテリーを搭載する必要があります。

しかし、鉛蓄電池による環境汚染は、主に企業の製造工程やリサイクル工程で発生したとの見方もあります。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ますが、重金属汚染の問題を回避することはできません。金属材料の処理中に、鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、クロムなどが粉塵や水中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、2種類の汚染が考えられます。1つは製造プロセス中の産業出口堆積物であり、もう1つはスクラップ後のバッテリー汚染です。

リン酸鉄リチウム電池にも欠点があります。たとえば、低温性能が低く、正極材料のタップ密度が低く、同じ容量のリン酸鉄リチウム電池の容量は、コバルト酸リチウムなどのリチウムイオン電池よりも大きいためです。マイクロバッテリーには利点がありません。パワーバッテリーで使用する場合、リン酸鉄リチウムバッテリーは、他のバッテリーと同様に、バッテリーの一貫性の問題に直面する必要があります。

リン酸鉄リチウム電池のデメリット

材料がその利点に焦点を合わせることに加えて、アプリケーション開発の可能性を持っているかどうかは、材料に根本的な欠陥があるかどうかがより重要です。

リン酸鉄リチウムは、中国でパワー型リチウムイオン電池の正極材料として広く使用されています。政府、科学研究機関、企業、さらには証券会社の市場アナリストは、パワーリチウムイオン電池の開発の方向性としてこの材料について楽観的です。この状況には2つの理由があります。1つは、米国の研究開発の方向性の影響です。米国のValenceとA123の会社は、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、パワータイプのリチウムイオン電池用に製造された、優れた高温サイクルおよび貯蔵特性を備えたマンガン酸リチウム材料の調製がない。しかし、リン酸鉄リチウムには、無視できない根本的な欠陥もあります。主なポイントは次のとおりです。

1.リン酸鉄リチウムの製造における焼結プロセス中に、酸化鉄は高温下で鉄に還元され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す可能性があり、これはバッテリーの中で最もタブーな物質です。これが、日本がこの材料をリチウムイオン電池の正極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、タップ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。ナノ結晶化とカーボンコーティングを施した後でも、この問題は解決できませんが、低温性能は劣ります。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、リン酸鉄リチウム電池の低温性能について話しました。彼はそれを説明するのにひどいものを使った。彼らのリン酸鉄リチウム電池のテスト結果は、リン酸鉄リチウム電池が低温(0°C未満)の電気自動車では使用できないことを示しています。一部のメーカーは、リン酸鉄リチウム電池は低温での容量保持率が高いと主張していますが、放電電流が小さく、放電カットオフ電圧が低い場合です。この状況では、デバイスは単に機能することさえできません。

3.材料の準備コストとバッテリーの製造コストが高く、バッテリーの歩留まりが低く、一貫性が悪い。リン酸鉄リチウムのナノ結晶化と炭素コーティングは、材料の電気化学的性能を向上させますが、エネルギー密度の低下、合成コストの増加、電極処理性能の低下、環境に厳しい問題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は豊富で低コストですが、これまでの研究開発費、材料費、加工費を除いても、調製したリン酸鉄リチウム製品のコストは高くなります。バッテリーを準備するコストは、蓄積されたエネルギーの最終ユニットのコストをさらに高くします。

4.製品の一貫性が悪い。現在、この問題を解決できる国内のリン酸鉄リチウム材料工場はありません。材料の調製に関しては、リン酸鉄リチウムの合成反応は、固相リン酸、酸化鉄、リチウム塩、炭素前駆体、還元気相を含む複雑な不均一反応です。この複雑な反応プロセス中に反応の一貫性を確保することは困難です。

5.知的財産の問題。現在、リン酸鉄リチウムの基本特許はテキサス大学が所有しており、カーボンコーティングされた特許はカナダ人によって適用されています。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。特許のコストを計算すると、製品のコストはさらに高くなります。

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の最初の商業化国であり、常にハイエンドのリチウムイオン電池市場を占めてきました。米国はいくつかの基礎研究を進めていますが、大規模なリチウムイオン電池メーカーはまだありません。したがって、日本では、パワータイプのリチウムイオン電池の正極材料としてマンガン酸リチウムを変更する方が合理的です。米国でも、パワー型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やマンガン酸リチウムが使用されており、連邦政府もこれらの材料の開発を支援しています。上記のリン酸鉄リチウムの問題から、新エネルギー車などの分野でパワー型リチウムイオン電池の正極材料として広く使用することは難しい。マンガン酸リチウムの高温サイクルと貯蔵性能の低下の問題を解決でき、低コストと高速性能の利点に依存することができれば、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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