Avantages et inconvénients de la batterie lithium fer phosphate LiFePO4
La batterie au lithium-fer-phosphate fait référence à une batterie au lithium-ion qui utilise le phosphate de fer au lithium comme matériau d’électrode positif. Les matériaux cathodiques des batteries lithium-ion comprennent principalement l’oxyde de lithium-cobalt, le manganate de lithium, le nickelate de lithium, les matériaux ternaires et le phosphate de fer au lithium. Parmi eux, l’oxyde de lithium-cobalt est actuellement le matériau de cathode utilisé dans la plupart des batteries lithium-ion.
LiFePO4 est utilisé comme électrode positive de la batterie, qui est reliée à l’électrode positive de la batterie par une feuille d’aluminium. Au milieu se trouve un séparateur de polymère, qui sépare l’électrode positive de l’électrode négative, mais le lithium-ion Li peut passer mais l’électron e- ne peut pas passer. Le côté droit est en carbone (graphite). L’électrode négative de la batterie 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 hermétiquement scellée par un boîtier métallique.
Lorsque la batterie LiFePO4 est chargée, le lithium-ion Li dans l’électrode positive migre vers l’électrode négative à travers le séparateur polymère; pendant le processus de décharge, le lithium-ion Li dans l’électrode négative migre vers l’électrode positive à travers le séparateur. Les batteries lithium-ion sont nommées d’après les ions lithium qui se déplacent d’avant en arrière pendant la charge et la décharge.
Performances principales
La tension nominale de la batterie LiFePO4 est de 3,2 V, la tension de charge finale est de 3,6 V et la tension de décharge finale est de 2,0 V. En raison de la qualité et du savoir-faire différents des matériaux positifs et négatifs et des matériaux électrolytiques utilisés par divers fabricants, il y aura quelques différences dans leurs performances. Par exemple, la capacité de la batterie du même modèle (batterie standard dans le même boîtier) est assez différente (10% -20%).
Ce que je veux expliquer ici, c’est que les batteries au lithium-fer-phosphate produites par différentes usines ont des différences dans divers paramètres de performance; en outre, certaines performances de la batterie ne sont pas répertoriées, telles que la résistance interne de la batterie, le taux d’auto-décharge, la température de charge et de décharge, etc.
Il existe de grandes différences dans la capacité des batteries au lithium-fer-phosphate, qui peuvent être divisées en trois catégories: petites échelles de quelques à plusieurs milliampères, des dizaines de milliampères-heures à moyenne échelle et des centaines de milliampères-heures à grande échelle. Des paramètres similaires de différents types de batteries présentent également certaines différences.
Test de décharge excessive à zéro tension:
La batterie d’alimentation au phosphate de fer au lithium STL18650 (1100mAh) a été utilisée pour le test de surdécharge à tension nulle. Conditions de test: Chargez complètement une batterie STL18650 de 1100 mAh 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 soit de 0 ° C. Ensuite, divisez les batteries 0V en deux groupes: un groupe est stocké pendant 7 jours, l’autre groupe est stocké pendant 30 jours; après l’expiration du stockage, les batteries sont complètement chargées avec un taux de charge de 0,5 ° C, puis déchargées à 1,0 ° C. Enfin, comparez la différence entre les deux périodes de stockage à tension nulle.
Le résultat du test est que la batterie n’a pas de fuite après 7 jours de stockage à tension nulle, avec de bonnes performances, et la capacité est de 100%; après stockage pendant 30 jours, il n’y a pas de fuite, avec de bonnes performances, et la capacité est de 98%; la batterie après 30 jours de stockage est soumise à 3 cycles de charge-décharge. La capacité est revenue à 100%.
Ce test montre que même si la batterie lithium-fer-phosphate est surchargée (même à 0V) et stockée pendant un certain temps, la batterie ne fuira pas et ne sera pas endommagée. C’est une caractéristique que les autres types de batteries lithium-ion n’ont pas.
Avantages de la batterie lithium fer phosphate
1. Amélioration de la performance en matière de sécurité
La liaison P-O dans le cristal de phosphate de fer et de lithium est stable et difficile à décomposer. Même à haute température ou suralimentation, il ne s’effondrera pas et ne générera pas de chaleur comme l’oxyde de lithium-cobalt ou ne formera pas de fortes substances oxydantes, de sorte qu’il a une bonne sécurité. Un rapport a souligné qu’en fonctionnement réel, une petite partie des échantillons s’est avérée brûler dans des expériences d’acupuncture ou de court-circuit, mais aucune explosion ne s’est produite. Dans l’expérience de surcharge, une charge haute tension plusieurs fois supérieure à la tension d’auto-décharge a été utilisée, et il a été constaté qu’il y avait encore un phénomène d’explosion. Néanmoins, sa sécurité de surcharge a été considérablement améliorée par rapport aux batteries ordinaires à électrolyte liquide au lithium-oxyde de cobalt.
2. Amélioration de la durée de vie
La batterie au phosphate de fer au lithium fait référence à une batterie au lithium-ion qui utilise du phosphate de fer au lithium comme matériau d’électrode positive.
La durée de vie d’une batterie plomb-acide longue durée est d’environ 300 fois, et la plus élevée est de 500 fois, tandis que la durée de vie d’une batterie au lithium fer phosphate est de plus de 2000 fois, et la charge standard (taux de 5 heures) utilisation peut atteindre 2000 fois. Les batteries plomb-acide de même qualité sont « neuves six mois, six mois et six mois pour la maintenance », soit 1 à 1,5 an au maximum, tandis que la batterie lithium fer phosphate est utilisée dans les mêmes conditions, et la durée de vie théorique atteindra 7 à 8 ans. De manière globale, le rapport performance-prix est théoriquement plus de 4 fois supérieur à celui des batteries au plomb-acide. La décharge à courant élevé peut rapidement charger et décharger un courant élevé 2C. Avec un chargeur dédié, la batterie peut être complètement chargée dans les 40 minutes suivant une charge de 1,5 ° C, et le courant de démarrage peut atteindre 2 ° C, mais les batteries au plomb-acide n’ont pas de telles performances.
3. Bonnes performances à haute température
Le pic de chauffage électrique du phosphate de fer au lithium peut atteindre 350°C-500°C, alors que le manganate de lithium et le cobaltate de lithium ne sont que d’environ 200°C. Large plage de température de fonctionnement (-20C-75C), avec une résistance à haute température, le pic de chauffage électrique lithium fer phosphate peut atteindre 350°C-500°C, alors que le manganate de lithium et le cobaltate de lithium ne sont que d’environ 200°C.
4. Grande capacité
La capacité de la batterie tombera rapidement en dessous de la valeur de capacité nominale lorsque la batterie est toujours complètement chargée et non déchargée. Ce phénomène s’appelle l’effet mémoire. Comme les batteries Ni-MH et Ni-Cd, il y a de la mémoire, mais les batteries lithium fer phosphate n’ont pas ce phénomène. Quel que soit l’état de la batterie, elle peut être chargée et utilisée à tout moment sans avoir à la décharger avant de la charger.
6. Poids léger
Le volume de la batterie lithium-fer-phosphate de la même spécification et de la même capacité est de 2/3 du volume de la batterie plomb-acide, et le poids est de 1/3 de la batterie plomb-acide.
7. Protection de l’environnement
Les batteries lithium-fer-phosphate sont généralement considérées comme exemptes de métaux lourds et de métaux rares (la batterie nickel-hydrogène nécessite des métaux rares), non toxiques (certifiées SGS), non polluantes, conformément à la réglementation européenne RoHS, et un certificat de batterie vert absolu.
Inconvénients des batteries lithium fer phosphate
Qu’un matériau ait un potentiel de développement d’application, en plus de prêter attention à ses avantages, la chose la plus critique est de savoir si le matériau présente des défauts fondamentaux.
1. Dans le processus de frittage pendant la préparation du phosphate de fer de lithium, l’oxyde de fer peut être réduit en fer élémentaire dans une atmosphère réductrice à haute température. Le fer élémentaire peut provoquer un micro-court-circuit de la batterie, qui est la substance la plus taboue de la batterie. C’est aussi la principale raison pour laquelle le Japon n’a pas utilisé ce matériau comme matériau d’électrode positive pour les batteries lithium-ion de type puissance.
2. Le phosphate de fer au lithium présente certains défauts de performance, tels qu’une faible densité de robinet et une densité de compactage, ce qui entraîne une faible densité d’énergie des batteries au lithium-ion. Les performances à basse température sont médiocres, même si elles sont nanométriques et revêtues de carbone, ce problème n’est pas résolu. Lorsque le Dr Don Hillebrand, directeur du Centre des systèmes de stockage d’énergie du Laboratoire national d’Argonne, a parlé de la performance à basse température des batteries au lithium-fer-phosphate, il l’a décrite comme terrible. Leurs résultats de test sur les batteries lithium-ion fer phosphate lithium-ion ont montré que les batteries lithium fer phosphate sont à basse température. (Inférieur à 0°C) Il n’est pas possible de conduire une voiture électrique. Bien que certains fabricants affirment que le taux de rétention de capacité des batteries lithium-fer-phosphate est bon à basse température, c’est lorsque le courant de décharge est faible et que la tension de coupure de décharge est très faible. Dans ce cas, l’appareil ne peut pas commencer à fonctionner du tout.
3. Le coût de préparation du matériau et le coût de fabrication de la batterie sont relativement élevés, le rendement de la batterie est faible et la consistance est médiocre. Bien que la nanométrie et le revêtement en carbone du phosphate de fer de lithium améliorent les performances électrochimiques du matériau, ils entraînent également d’autres problèmes, tels que la réduction de la densité d’énergie, l’augmentation du coût de synthèse, les mauvaises performances de traitement des électrodes et les exigences environnementales sévères. Bien que les éléments chimiques Li, Fe et P dans le phosphate de fer de lithium soient abondants et que le coût soit faible, le coût du produit de phosphate de fer de lithium préparé n’est pas faible. Même si les coûts de recherche et de développement antérieurs sont supprimés, le coût de processus du matériau est plus élevé. Le coût de préparation de la batterie augmentera le coût de stockage de l’énergie de l’unité finale.
4. Mauvaise consistance du produit. À l’heure actuelle, il n’y a pas d’usine de phosphate de fer au lithium en Chine qui puisse résoudre ce problème. Du point de vue de la préparation des matériaux, la réaction de synthèse du phosphate de fer de lithium est une réaction multiphasique complexe, comprenant des phosphates en phase solide, des oxydes de fer et des sels de lithium, ainsi que des précurseurs de carbone et des phases gazeuses réductrices. Dans ce processus de réaction complexe, il est difficile d’assurer la cohérence de la réaction.
5. Questions de propriété intellectuelle. À l’heure actuelle, le brevet de base du phosphate de fer de lithium appartient à l’Université du Texas, tandis que le brevet de revêtement de carbone est appliqué par des Canadiens. Ces deux brevets de base ne peuvent être contournés. Si des redevances sont incluses dans le coût, le coût du produit sera encore augmenté.
