نام کامل باتری فسفات آهن لیتیوم باتری یون لیتیوم فسفات آهن لیتیوم است، این نام بیش از حد طولانی است، به عنوان باتری فسفات آهن لیتیوم شناخته می شود. از آنجایی که عملکرد آن به ویژه برای کاربردهای برق مناسب است، کلمه "قدرت" به نام آن اضافه شده است، یعنی باتری برق لیتیوم آهن فسفات. برخی از مردم همچنین آن را "باتری برق لیتیوم آهن (LiFe)" می نامند.
اصل کار
باتری فسفات آهن لیتیوم به باتری لیتیوم یونی اطلاق می شود که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده الکترود مثبت استفاده می کند. مواد کاتدی اصلی باتری های لیتیوم یون عبارتند از لیتیوم کبالت، لیتیوم منگنات، لیتیوم نیکل، مواد سه تایی، فسفات آهن لیتیوم و غیره. لیتیوم کبالتات ماده آندی است که در اکثر باتری های لیتیوم یون استفاده می شود.
اهمیت
در بازار معاملات فلزات، کبالت (Co) گران‌ترین است و ذخیره کمی دارد، نیکل (Ni) و منگنز (Mn) ارزان‌تر هستند و آهن (Fe) ذخیره‌سازی بیشتری دارد. قیمت مواد آند نیز با قیمت این فلزات مطابقت دارد. بنابراین، باتری های لیتیوم یون ساخته شده از مواد کاتدی LiFePO4 باید کاملاً ارزان باشند. یکی دیگر از ویژگی های آن عدم آلودگی محیط زیست است.
به عنوان یک باتری قابل شارژ، موارد مورد نیاز عبارتند از: ظرفیت بالا، ولتاژ خروجی بالا، عملکرد چرخه شارژ-دشارژ خوب، ولتاژ خروجی پایدار، جریان شارژ-تخلیه بالا، پایداری الکتروشیمیایی، ایمنی در استفاده (به دلیل عملکرد نامناسب باعث احتراق یا انفجار نخواهد شد. مانند شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد و اتصال کوتاه)، محدوده دمای عملیاتی گسترده، غیر سمی یا کمتر سمی، بدون آلودگی برای محیط زیست. باتری‌های فسفات آهن لیتیوم با استفاده از LiFePO4 به‌عنوان یک الکترود مثبت، در این الزامات عملکردی خوب هستند، به‌ویژه در دبی‌های دشارژ زیاد (تخلیه ۵ تا ۱۰ درجه سانتیگراد)، ولتاژ تخلیه پایدار، ایمنی (بدون احتراق، بدون انفجار)، عمر (تعداد سیکل‌ها)، و بدون آلودگی به محیط زیست، بهترین است، در حال حاضر بهترین باتری قدرت خروجی با جریان بالا است.
ساختار و اصل کار
LiFePO4 به عنوان الکترود مثبت باتری توسط فویل آلومینیومی به الکترود مثبت باتری متصل می شود. در وسط یک دیافراگم پلیمری قرار دارد که الکترود مثبت را از الکترود منفی جدا می کند، اما یون لیتیوم Li می تواند از آن عبور کند و الکترون e- نمی تواند از آن عبور کند. در سمت راست الکترود منفی باتری متشکل از کربن (گرافیت) است که توسط فویل مسی به الکترود منفی باتری متصل می شود. بین انتهای بالایی و پایینی باتری، الکترولیت باتری قرار دارد و باتری توسط یک پوسته فلزی مهر و موم شده است.
هنگامی که باتری LiFePO4 شارژ می شود، لیتیوم یون لی در الکترود مثبت از طریق دیافراگم پلیمری به الکترود منفی مهاجرت می کند. در طول فرآیند تخلیه، یون لیتیوم لی در الکترود منفی از طریق دیافراگم به الکترود مثبت مهاجرت می کند. باتری‌های لیتیوم یونی به این دلیل نامگذاری شده‌اند که یون‌های لیتیوم هنگام شارژ و دشارژ شدن به جلو و عقب مهاجرت می‌کنند.
عملکرد اصلی
ولتاژ اسمی باتری LiFePO4 3.2 ولت، ولتاژ شارژ پایانی 3.6 ولت و ولتاژ تخلیه پایانی 2.{6}}V می باشد. با توجه به کیفیت و فرآیند متفاوت مواد الکترود مثبت و منفی و مواد الکترولیتی که توسط سازندگان مختلف استفاده می شود، عملکرد آنها تا حدودی متفاوت خواهد بود. مثلا همین مدل (همان پکیج باتری استاندارد)، ظرفیت باتری آن تفاوت زیادی دارد (10% تا 20%).
در اینجا لازم به ذکر است که تفاوت هایی در پارامترهای عملکرد باتری های برق لیتیوم آهن فسفات تولید شده توسط کارخانه های مختلف وجود دارد. علاوه بر این، برخی از عملکرد باتری مانند مقاومت داخلی باتری، نرخ خود تخلیه، دمای شارژ و دشارژ گنجانده نشده است.
ظرفیت باتری های برقی لیتیوم فسفات آهن بسیار متفاوت است و می توان آن را به سه دسته تقسیم کرد: دهم تا چند میلی آمپر کوچک، ده ها میلی آمپر با اندازه متوسط و صدها میلی آمپر بزرگ. همچنین برخی از تفاوت ها در پارامترهای یکسان انواع مختلف باتری ها وجود دارد.
تست تخلیه بیش از حد تا ولتاژ صفر:
آزمایش دشارژ تا ولتاژ صفر باتری برق لیتیوم فسفات آهن STL18650(1100mAh) انجام شد. شرایط آزمایش: باتری 1100mAh STL18650 را با نرخ شارژ 0.5 درجه سانتیگراد شارژ کنید و سپس آن را با سرعت تخلیه 1.0 درجه سانتیگراد تخلیه کنید تا ولتاژ باتری به 0 درجه سانتیگراد برسد. سپس باتری های قرار داده شده در 0 ولت به دو گروه تقسیم می شوند: یک گروه به مدت 7 روز ذخیره می شود، گروه دیگر به مدت 30 روز ذخیره می شود. پس از انقضای ذخیره سازی، با نرخ شارژ 0.5C پر می شود و سپس با 1.0C تخلیه می شود. در نهایت، تفاوت بین دو دوره ذخیره سازی ولتاژ صفر مقایسه شده است.
نتیجه آزمایش این است که پس از 7 روز ذخیره ولتاژ صفر، باتری بدون نشتی، عملکرد خوب و ظرفیت 100٪ است. پس از 30 روز ذخیره سازی، بدون نشت، عملکرد خوب، ظرفیت 98٪. پس از 30 روز ذخیره سازی، باتری برای 3 چرخه دیگر شارژ و دشارژ می شود و ظرفیت آن به 100٪ باز می گردد.
این آزمایش نشان می‌دهد که حتی اگر باتری لیتیوم آهن فسفات دشارژ شده باشد (حتی تا 0V) و برای مدت معینی ذخیره شود، باتری نشتی و آسیب نخواهد دید. این ویژگی ای است که انواع دیگر باتری های لیتیوم یونی ندارند.
مزیت
1. بهبود عملکرد ایمنی
پیوند PO در کریستال فسفات آهن لیتیوم پایدار است و تجزیه آن دشوار است، حتی در دمای بالا یا شارژ بیش از حد، فرو نمی ریزد و گرم نمی شود یا مواد اکسید کننده قوی مانند اکسید لیتیوم کبالت را تشکیل نمی دهد، بنابراین ایمنی خوبی دارد. گزارش شده است که بخش کوچکی از نمونه در عملیات واقعی سوزن یا آزمایش اتصال کوتاه سوخته است، اما هیچ رویداد انفجاری رخ نداده است و آزمایش اضافه شارژ از یک شارژ ولتاژ بالا استفاده می کند که بسیار بیشتر از خود تخلیه است. چندین بار ولتاژ، و مشخص شد که هنوز یک انفجار وجود دارد. با این حال، ایمنی شارژ بیش از حد آن در مقایسه با باتری‌های معمولی لیتیوم اکسید کبالت با الکترولیت مایع بهبود یافته است.
2. بهبود زندگی
باتری لیتیوم فسفات آهن یک باتری لیتیوم یونی است که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده الکترود مثبت استفاده می کند.
عمر چرخه باتری سرب اسیدی با عمر طولانی حدود 300 برابر و حداکثر آن 500 برابر است، در حالی که باتری برق لیتیوم آهن فسفات دارای عمر چرخه ای بیش از 2000 بار و شارژ استاندارد است ({{5} } نرخ ساعت) می تواند برای 2000 بار استفاده شود. باتری سرب اسیدی با همان کیفیت "نیم سال نو، نیم سال قدیمی، نیم سال دیگر تعمیر و نگهداری"، حداکثر 1 تا 1.5 سال است و باتری های لیتیوم آهن فسفات در شرایط یکسان استفاده می شوند. عمر به 7 تا 8 سال خواهد رسید. به طور کلی، نسبت قیمت عملکرد بیش از 4 برابر باتری های سرب اسیدی در تئوری است. تخلیه جریان بالا می تواند شارژ و تخلیه سریع 2C با جریان بالا باشد، تحت شارژر مخصوص، شارژ 1.5 درجه سانتی گراد می تواند در عرض 40 دقیقه به طور کامل شارژ شود، جریان شروع تا 2 درجه سانتی گراد است و باتری های سرب اسید این عملکرد را ندارند.
3. عملکرد خوب در دمای بالا
حداکثر مقدار فسفات آهن لیتیوم می تواند به 350 درجه -500 درجه برسد، در حالی که لیتیوم منگنات و لیتیوم کبالتات تنها حدود 200 درجه هستند. محدوده دمای عملیاتی گسترده است (-20C-- 75C)، و پیک الکتریکی لیتیوم آهن فسفات می‌تواند به ۳۵۰ درجه -500 درجه برسد، در حالی که اسید لیتیوم منگنز و اسید لیتیوم کبالت فقط حدود 200 درجه
4. ظرفیت زیاد
باتری‌ها اغلب در شرایطی کار می‌کنند که پر و دشارژ نشده باشند و ظرفیت به سرعت کمتر از مقدار ظرفیت نامی می‌شود که به آن اثر حافظه می‌گویند. باتری‌های نیکل-کادمیم مانند هیدرید نیکل-فلز دارای حافظه هستند و باتری‌های فسفات آهن لیتیوم این پدیده را ندارند، مهم نیست باتری در چه حالتی باشد، می‌توان آن را با شارژ، بدون قرار دادن و سپس شارژ، استفاده کرد.
6. وزن سبک
حجم و وزن یک باتری لیتیوم آهن فسفات با ظرفیت یکسان 2/3 حجم و 1/3 وزن یک باتری سرب اسیدی است.
7. حفاظت از محیط زیست
باتری‌های لیتیوم فسفات آهن عموماً فاقد هرگونه فلز سنگین و فلزات کمیاب هستند (باتری‌های هیدرید فلز نیکل به فلزات کمیاب نیاز دارند)، غیر سمی (گواهینامه SGS)، بدون آلودگی، مطابق با مقررات اروپایی RoHS، برای سبز مطلق گواهی باتری بنابراین، دلیل خوشبین بودن باتری‌های لیتیومی توسط صنعت، عمدتاً ملاحظات حفاظت از محیط زیست است، بنابراین باتری در دوره «برنامه پنج ساله دهم» در برنامه توسعه ملی فناوری پیشرفته «863» گنجانده شده است. و به یک پروژه کلیدی ملی برای حمایت و تشویق توسعه تبدیل شده است. با الحاق چین به WTO، حجم صادرات دوچرخه های برقی چین به سرعت افزایش خواهد یافت و دوچرخه های برقی که وارد اروپا و آمریکا می شوند ملزم به مجهز شدن به باتری های بدون آلودگی شدند.
با این حال، برخی از کارشناسان می گویند که آلودگی زیست محیطی ناشی از باتری های سرب اسیدی عمدتاً در فرآیند تولید غیر استاندارد و فرآیند بازیافت شرکت ها رخ می دهد. به طور مشابه، باتری های لیتیوم متعلق به صنعت انرژی جدید خوب است، اما نمی تواند از مشکل آلودگی فلزات سنگین جلوگیری کند. سرب، آرسنیک، کادمیوم، جیوه، کروم و غیره در فرآوری مواد فلزی ممکن است در گرد و غبار و آب آزاد شوند. باتری به خودی خود یک ماده شیمیایی است، بنابراین امکان تولید دو نوع آلودگی وجود دارد: یکی آلودگی زباله های فرآیند در پروژه تولید. دوم آلودگی باتری پس از اسقاط است.
باتری‌های فسفات آهن لیتیوم معایب خود را نیز دارند: مانند عملکرد ضعیف در دمای پایین، تراکم ارتعاش مواد مثبت کوچک، حجم باتری‌های فسفات آهن لیتیوم با همان ظرفیت بزرگتر از باتری‌های لیتیوم یونی مانند اسید لیتیوم کبالت است، بنابراین فاقد آن است. یک مزیت از نظر میکرو باتری. هنگامی که در باتری های برق استفاده می شود، باتری های فسفات آهن لیتیوم، مانند سایر باتری ها، باید با مشکلات قوام باتری مواجه شوند.
کمبود
این که آیا یک ماده دارای پتانسیل توسعه برنامه است، علاوه بر تمرکز بر مزایای آن، مهم تر این است که آیا مواد دارای نقص های اساسی هستند یا خیر.
اکنون چین عموماً فسفات آهن لیتیوم را به عنوان یک ماده الکترود مثبت برای باتری های لیتیوم یونی برق انتخاب می کند، از سوی دولت، موسسات تحقیقاتی علمی، شرکت ها و حتی شرکت های اوراق بهادار و سایر تحلیلگران بازار به این ماده خوشبین هستند، به عنوان یک باتری لیتیوم یون نیرو. جهت دلایل عمدتاً به شرح زیر است: اولاً، تحت تأثیر جهت گیری تحقیق و توسعه ایالات متحده، شرکت های Valence و A123 در ایالات متحده اولین کسانی بودند که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده الکترود مثبت باتری های لیتیوم یونی استفاده کردند. ثانیاً، هیچ آماده سازی داخلی مواد منگنات لیتیوم با ویژگی های چرخه و ذخیره سازی در دمای بالا برای باتری های لیتیوم یونی وجود ندارد. با این حال، فسفات آهن لیتیوم نیز دارای عیوب اساسی است که نمی توان آنها را نادیده گرفت که می توان آنها را به شرح زیر خلاصه کرد:
1. در فرآیند تف جوشی آماده سازی فسفات آهن لیتیوم، اکسید آهن این امکان را دارد که در اتمسفر کاهنده دمای بالا به آهن عنصری احیا شود. آهن عنصری می تواند باعث اتصال کوتاه میکرو باتری شود و تابوترین ماده در باتری است. این نیز دلیل اصلی عدم استفاده ژاپن از این ماده به عنوان ماده الکترود مثبت برای باتری های لیتیوم یونی است.
2. فسفات آهن لیتیوم دارای برخی از نقص عملکرد، مانند تراکم ارتعاش و تراکم تراکم بسیار کم است، و در نتیجه چگالی انرژی کم باتری های لیتیوم یون. عملکرد دمای پایین ضعیف است، حتی پوشش نانو و کربن نیز این مشکل را حل نکرد. دکتر دان هیلبراند، مدیر مرکز سیستم ذخیره انرژی در آزمایشگاه ملی آرگون در ایالات متحده، هنگامی که در مورد عملکرد دمای پایین باتری های لیتیوم آهن فسفات صحبت می کرد، از نتایج آزمایش باتری های لیتیوم یونی لیتیوم فسفات آهن استفاده کرد که نتایج آزمایشات وحشتناکی را توصیف کرد. باتری‌های لیتیوم فسفات آهن در دماهای پایین (زیر 0 درجه سانتیگراد) نمی‌توانند برق بسازند. وسایل نقلیه اجرا می شود اگرچه برخی از سازندگان ادعا می کنند که میزان نگهداری ظرفیت باتری های لیتیوم فسفات آهن در دماهای پایین خوب است، اما در مورد جریان تخلیه کم و ولتاژ قطع تخلیه کم است. در این صورت دستگاه به هیچ وجه شروع به کار نخواهد کرد.
3. هزینه آماده سازی مواد و هزینه ساخت باتری بالاتر است، بازده باتری کم است و قوام ضعیف است. نانومتر و پوشش کربن لیتیوم آهن فسفات عملکرد الکتروشیمیایی مواد را بهبود می بخشد، اما مشکلات دیگری مانند کاهش چگالی انرژی، افزایش هزینه های سنتز، عملکرد ضعیف پردازش الکترود و الزامات زیست محیطی سخت را به همراه دارد. اگرچه عناصر شیمیایی Li، Fe و P در فسفات آهن لیتیوم بسیار غنی هستند و هزینه آن کم است، هزینه محصول لیتیوم آهن فسفات تهیه شده کم نیست، حتی اگر هزینه تحقیق و توسعه اولیه حذف شود، هزینه فرآیند مواد به علاوه هزینه بالای آماده سازی باتری باعث می شود که هزینه ذخیره سازی انرژی واحد نهایی بالاتر باشد.
4. ثبات محصول ضعیف. در حال حاضر هیچ کارخانه تولید مواد فسفات آهن لیتیوم در چین برای حل این مشکل وجود ندارد. از نقطه نظر آماده سازی مواد، سنتز فسفات آهن لیتیوم یک واکنش چند فازی پیچیده است، با فسفات فاز جامد، اکسید آهن و نمک لیتیوم، به علاوه پیش ساز کربن و فاز گاز کاهنده. در این فرآیند واکنش پیچیده، اطمینان از سازگاری واکنش دشوار است.
5. مسائل مربوط به مالکیت فکری. در حال حاضر، حق اختراع اصلی برای فسفات آهن لیتیوم متعلق به دانشگاه تگزاس است، در حالی که حق اختراع پوشش کربن توسط کانادایی ها اعمال می شود. این دو اختراع اساسی را نمی توان دور زد، اگر هزینه حق امتیاز محاسبه شود، هزینه محصول بیشتر افزایش می یابد.
علاوه بر این، با توجه به تجربه تحقیق و توسعه و تولید باتری‌های لیتیوم یونی، ژاپن اولین کشوری است که باتری‌های لیتیوم یونی را تجاری می‌کند و همواره بازار باتری‌های لیتیوم یون رده بالا را اشغال کرده است. اگرچه ایالات متحده در برخی تحقیقات اساسی پیشتاز است، اما تاکنون تولیدکننده باتری لیتیوم یونی بزرگی ندارد. بنابراین، برای ژاپن منطقی تر است که منگنات لیتیوم اصلاح شده را به عنوان ماده الکترود مثبت برای باتری های لیتیوم یون پویا انتخاب کند. حتی در ایالات متحده، استفاده از فسفات آهن لیتیوم و منگنات لیتیوم به عنوان تولید کنندگان مواد کاتد باتری لیتیوم-یون قدرت به طور مساوی تقسیم شده است و دولت فدرال نیز از توسعه هر دو سیستم حمایت می کند. با توجه به مشکلات فوق که در فسفات آهن لیتیوم وجود دارد، استفاده گسترده به عنوان یک ماده الکترود مثبت برای باتری های لیتیوم یونی در زمینه هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید دشوار است. اگر بتوانیم مشکل دوچرخه‌سواری و عملکرد ذخیره‌سازی ضعیف لیتیوم منگنات را با مزایای آن در هزینه کم و سرعت بالا حل کنیم، پتانسیل زیادی در کاربرد باتری‌های لیتیوم یون پویا خواهد داشت.
