Жаһандық энергетика құрылымын үздіксіз түзету және жаңартылатын энергияның қарқынды дамуымен,энергия сақтаутехнология бірте-бірте энергияны түрлендірудің маңызды тірегі және болашақ экономикалық дамудың қозғаушы күшіне айналуда.
Энергияны сақтау батареяларының технологиясына кіріспе
▲Энергияны түрлендіру, сақтау және кәдеге жарату
▲Энергия сақтау технологияларының жіктелуі және қолданылуы
▲Энергияны сақтау батареяларына шолу
▲Энергия жинақтаушы батареялардың жұмыс принципі және құрамы
▲Энергия сақтау батареяларының өнімділік көрсеткіштері және олармен байланысты терминологиясы
Энергия - әлемді қозғайтын негізгі күш және адамзат қоғамы даму үшін тәуелді болатын негізгі ресурс. Отты алғашқы пайдаланудан бастап бүгінгі электр энергиясына дейін энергияны дамыту және пайдалану өркениеттің алға жылжуына ықпал етіп, қазіргі қоғамдық құрылымымызды қалыптастырды.
Жаһандық энергия сұранысының үздіксіз өсуімен және жаңартылатын энергияның қарқынды дамуымен энергияны сақтау батареялары технологиясы пайда болды және энергетикалық сектордың маңызды тірегіне айналды. Энергияны сақтау батареялары жел және күн энергиясы сияқты үзіліссіз қуат көздерін тиімді сақтай алады және оларды қуаттың тұрақтылығын қамтамасыз ете отырып, ең жоғары сұраныс кезеңдерінде босатады. Бұл технология дәстүрлі қазба отындарына тәуелділікті азайтып қана қоймайды, сонымен қатар төмен көміртекті-және тұрақты энергия жүйелеріне қол жеткізу үшін маңызды кепілдіктер береді.
Дәстүрлі қорғасын{0}}қышқылды аккумуляторлардан қазіргі заманғы литий{1}}батареяларға, одан кейін жаңадан пайда болып жатқан қатты күйдегі-батареяларға және натрий-иондық батареяларға дейін энергия сақтау батареяларының технологиясының дамуы үнемі технологиялық кедергілерден өтіп отырады. Энергия тығыздығын жақсарту, қызмет ету мерзімін ұзарту және қауіпсіздікті арттыру арқылы энергия сақтау батареялары үйдегі энергияны сақтау, тасымалдау және желіні реттеу сияқты салаларда кең қолдану перспективаларын көрсетті. Энергияны сақтау батареясының технологиясы қазіргі энергетикалық құрылымды өзгертудің кілті ғана емес, сонымен қатар болашақ смарт желілер мен бөлінген энергия жүйелерінің өзегі деп айтуға болады.
Литий{0}}негізделген батарея қуатын сақтау технологиясы
▲Литий-иондық аккумуляторлардың құрылымы мен жұмыс принципі-
▲Литий{0}}ионды батареяның катодтық материалдары
▲Литий{0}}ионды батареяның анодтық материалдары
▲Литий{0}}ионды батарея электролиті
▲Литий{0}}ионды батареяларды жобалау және өндіру
1970 жылы ExxonMobil компаниясының MS Whittingham компаниясы алғашқы литий{3}}батареясын жасады. Ол титан дисульфиді мен металл литийін сәйкесінше оң және теріс электродтар ретінде пайдаланды. Зарядтау және разрядтау кезінде металл литий теріс электродта үздіксіз тұтынылады және түзіледі, ал титан дисульфиді оң электродқа литий иондарын үздіксіз енгізеді және шығарады. Бұл екі процесс батареяның қызмет ету мерзімі ішінде қайтымды болады, осылайша кернеуі 2 В болатын екінші реттік литий-ионды батареяны құрады. 1982 жылы Иллинойс технологиялық институтының қызметкері Р.Р.Агарвал және Дж.Р.Селман литий иондарының графитке айналу қасиеті бар екенін анықтады, бұл процесс тез және қайтымды...{1}} батареялар зерттеу, әзірлеу және эволюция процесінен өтті. Өздерінің жоғары және ыңғайлы өнімділігімен олар ұялы телефондар мен планшеттер сияқты 3C өнімдерінен бастап электр көліктері сияқты энергетикалық секторларға және фотоэлектр және жел энергиясы сияқты үлкен{19}}қуат сақтау салаларына дейін әртүрлі салаларға көбірек еніп, әлеуметтік өмірге айтарлықтай әсер етеді.
Батарея дегеніміз не?
▲Батареяның даму тарихы
▲Литий{0}}ионды батареяларға кіріспе
▲Литий{0}}ионды батареялардың ерекшеліктері
▲Литий-иондық батареялардағы негізгі материалдар
Батарея қуат көзінің бір түрі болып табылады. Қуат көздері негізінен физикалық қуат көздеріне және химиялық қуат көздеріне бөлінеді. Физикалық қуат көздеріне күн энергиясын өндіру құрылғылары, термоэлектрлік энергия өндіру құрылғылары, жылу және су электр генераторлары және т.б.; ал химиялық қуат көздері химиялық энергияны тікелей электр энергиясына, яғни жалпы мағынада химиялық аккумуляторларға немесе жай ғана аккумуляторларға түрлендіруге қабілетті қуат өндіру құрылғыларына жатады.
Батарея жүйелері төрт ұрпақ бойы дамыды: қорғасын{0}}қышқылды аккумуляторлар, никель{1}}кадмий батареялары, никель-металл гидридті батареялар және литий-ионды батареялар. Батарея өнімділігі үнемі жақсарып, адамның батарея жүйелері туралы түсінігі тереңдей түсті. Қазіргі уақытта литий{6}}иондық батареялар ең тиімді және энергияны үнемдейтін-қайта зарядталатын батарея жүйесі болып табылады, бұл адам батареяларын зерттеу мен технологиясының ең жоғары деңгейін көрсетеді.
Литий темір фосфаты материалдарын зерттеу және дамыту тарихы
▲Литий темір фосфат материалдарының даму тарихы
▲Литий темір фосфатының патенттік жағдайы
▲Литий темір фосфатты материалдардың құрылымдық және өнімділік зерттеулері
Литий темір фосфаты (LiFeP, LFP, литий темір фосфаты немесе литий темір фосфаты ретінде де белгілі) литий{0}}ионды батареяларда қолданылатын катодты материал болып табылады. Ол кобальт пен никель сияқты асыл элементтердің жоқтығымен, шикізат бағасының төмендігімен және жылына миллион тоннадан асатын нарық сұранысын қанағаттандыра алатын жер қыртысындағы фосфор, литий, темір ресурстарының көптігімен сипатталады. Катодты материал ретінде литий темір фосфаты орташа жұмыс кернеуіне (3,2 В), жоғары меншікті сыйымдылыққа (170 мА·сағ/г), жоғары разрядтық қуатқа, жылдам зарядтау мүмкіндігіне, ұзақ цикл мерзіміне және жоғары температура мен жоғары жылу орталарында жақсы тұрақтылыққа ие.
Литий темір фосфатты материалдарды өндіруде қолданылатын өндірістік жабдықтар
▲Өндірістік жабдыққа қойылатын талаптар:;Араластыру жабдықтары;Кептіру жабдықтары;Агломерациялық жабдықтар,;Ұсақтау жабдықтары; скринингтік жабдық; Азот генераторы; Қаптама жабдығы.
Литий темір фосфаты (LFP) катодты материалдар литий{0}}иондық аккумулятор өндірісінде пайдаланылған кезде олардың тазалығына, фазасына және қоспаларына қойылатын талаптар өте қатаң болады. Мысалы, LFP-дегі екі валентті темірдің тотығу дәрежесі 1% жеткенде, меншікті сыйымдылық 30% -дан астам төмендеуі мүмкін. Себебі жаңадан пайда болған үш валентті темір LFP бетін жабады, одан әрі ішкі реакцияларға жол бермейтін реактивті қабат жасайды. Егер LFP әлдеқашан тотыққан болса, кейінгі қалпына келтіру әдістері LFP бере алмайды, себебі шикізаттағы литий иондары әлдеқашан жоғалып кеткен.
Темір оксалатты әдіспен литий темірфосфатты материалдарды алу
▲Синтез принципі
▲Негізгі синтетикалық шикізат
▲Синтез процесі
▲Синтетикалық материалдардың өнімділігі
Шикізат ретінде темір оксалатының көмегімен литий темір фосфатын синтездеу процесі темір оксалат әдісі (немесе қарапайым темір әдісі) деп аталады. Қазіргі уақытта темір оксалат әдісі Қытайда ең көп қолданылатын процесс және әдіс болып табылады, отандық өндірушілердің жартысынан көбі оны пайдаланады. Оның негізгі артықшылықтары шикізаттың төмен құны, қарапайым процесс және ингредиенттердің арақатынасын оңай бақылау болып табылады.
Литий темірфосфатты материалдарды карботермиялық тотықсыздандыру арқылы алу
▲Синтез принципі
▲Негізгі синтетикалық шикізат
▲Синтез процесі
▲Синтетикалық материалдардың өнімділігі
Литий темір фосфаты (LiFePO4) материалдарын өндіретін өндірушілер арасында карботермиялық қалпына келтіру әдісі қазіргі уақытта темір оксалат әдісінен кейінгі ең көп қолданылатын технология болып табылады. Оның негізгі шикізаты темір темір (Fe2PO4), оның ішінде темір фосфаты (Fe2PO4) және темір оксиді (Fe2O3) болып табылады. Реакция кезінде көміртегі (C) және көміртегі оксиді (C2O3) темірді (Fe2PO4) темірге (Fe2+) тотықсыздандырады, содан кейін ол кристалдық торға еніп, литий темір фосфатының (LiFePO4) кристалдық құрылымын құрайды.
Карботермиялық тотықсыздандыру әдісінің артықшылығы - өңдеу кезінде шикізаттың тотығуын ескерудің қажеті жоқ; қажетті дисперсиялық күйге жету үшін шикізатты өңдеу үшін әртүрлі араластыру әдістерін қолдануға болады. Тек жоғары температура сатысында көміртек темірді темірге дейін тотықсыздандырып, литий темір фосфатын түзеді, сондықтан карботермиялық қалпына келтіру әдісі деп аталады. Карботермиялық қалпына келтіру әдісі -бір қадамдық қысқартуға қол жеткізеді, газ шығаруды азайтады және өнімділікті арттыруға пайдалы. Сонымен қатар, синтез процесі қарапайым және басқаруға оңай, бұл карботермиялық қалпына келтіру әдісін қабылдайтын компаниялардың көбеюіне әкеледі.
Литий темір фосфатты материалдарды гидротермиялық дайындау
▲Синтез принципі
▲Негізгі синтетикалық шикізат
▲Синтез процесі
▲Синтетикалық материалдардың өнімділігі
Гидротермиялық әдіс литий темір фосфатты катодты материалдарды дайындаудың салыстырмалы түрде жетілдірілген әдісі болып табылады. Оның негізгі процесі темір сульфатын, литий гидроксидін және фосфор қышқылын суда ерітіп, жоғары{2}}температуралы, жоғары-қысымдағы сулы ерітіндіні қалыптастыру үшін тығыздалған ортада ерітіндіні 100 градустан жоғары қыздыратын суперкритикалық гидротермиялық жүйені пайдаланады. Реакция иондық диффузия арқылы жүреді, литий темір фосфатының кристалдық бөлшектерін тудырады. Содан кейін таза литий темір фосфаты материалы сүзіледі, кептіріледі және литий темір фосфаты/көміртекті композитті қалыптастыру үшін көміртек-жабылады.
Литий темір фосфатты материалдарға арналған дәстүрлі сынау және талдау әдістері
▲Литий темір фосфатты материалдардың химиялық құрамын талдау және сынау әдістері
▲Литий темір фосфатты материалдардың физикалық қасиеттерін тексеру әдістері
▲Литий темір фосфатты материалдардың электрохимиялық өнімділігін сынау әдістері
▲Литий темір фосфаты материалдарының практикалық қолданылуын бағалау
Литий темір фосфаты (LFP) материалдары үшін тестілеу синтез процесін басқарудан да маңыздырақ негізгі технология болып табылады. Дәл және дәл сынақ деректерінсіз тұрақты процесс жағдайларын алу мүмкін емес, сондықтан пайдалану талаптарына сәйкес келетін білікті LFP өнімдерін шығару мүмкін емес. Материалдарды қатаң сынау шикізатты сатып алу мен синтездеуден бастап дайын өнімді бағалауға дейінгі бүкіл өндіріс процесінде өте маңызды. Сондықтан LFP-ны зерттейтін және шығаратын кез келген бөлімше өзінің тестілеу жүйесін құруға үлкен мән беруі керек. Күрделі тестілеу жабдығын, қатаң сынақ әдістерін және жақсы дайындалған-тестілеу персоналын пайдалану компанияның саладағы позициясын сақтаудың негізгі шарттары болып табылады.
Литий темір фосфатты материалдардың басқа да сипаттамалық қасиеттерін талдау
▲Литий темір фосфатты материалдардың электрохимиялық өнімділігін талдау
▲Литий темір фосфатты материалдардың электронды микроскопиялық морфологиялық талдауы
▲Литий темір фосфатты материалдардың беттік энергиясы
▲Литий темір фосфатты материалдардағы темірдің ерігіштігін өлшеу
▲Литий темір фосфатты материалдардың спектроскопиялық сипаттамалары
Литий темір фосфаты материалдарын практикалық қолдануда, әдеттегі өнімділік сынақтарынан басқа, материалдың өнімділігін бағалау және аккумуляторды өндіру процестеріне анықтама беру үшін кейбір ерекше қасиеттерді өлшеу қажет. Технологияның дамуымен бұрын тек толық ұяшықтар арқылы өлшенетін кейбір параметрлерді енді қарапайым әдістер арқылы анықтауға болады. Мысалы, литий темір фосфаты материалдарының цикл өнімділігін, әсіресе көміртегі циклінің өнімділігін енді арнайы жасалған монета ұяшықтары арқылы бағалауға болады, бұл өлшеу процесін айтарлықтай жеңілдетеді.
Литий темір фосфатты материалдарды пайдалана отырып, аккумуляторларды өндіру технологиясы
▲Литий-темір фосфатты аккумулятор жүйесінің дизайн ерекшеліктері
▲Литий темір фосфат материалының суспензиясын дайындау технологиясы
▲Литий темір фосфатты суспензияны жабу
▲Литий темір фосфат электродтарын илемдеу
▲Трансформация және бөлу
▲Батареяларды өндірудің басқа мысалдары
Кез келген литий{0}}иондық батарея үшін бастапқы дизайн негізгі міндет болып табылады. Жобалау жұмысы литий{2}}ионды аккумулятордың өндіріс процесін анықтауды қамтиды. Батарея өнімділігі негізінен электродтармен анықталатындықтан, электрод дизайны аккумуляторды өндіру процесінің негізгі аспектісі болып табылады. Бұл литий темір фосфатты батареяларға да қатысты.
Литий темірфосфатты батареяларды қолданудың негізгі аймақтары
▲Лтий-темір фосфатты батареяларды электрлік тасымалдау құрылғыларында қолдану
▲Литий темірфосфатты аккумуляторларды энергияны жинақтаушы электрмен жабдықтауда қолдану
▲Лтий-темірфосфатты батареяларды электр аспаптарында қолдану
▲Литий темір фосфатты батареяларды қолдану
Литий темір фосфаты (LFP) литий{0}}иондық батареялар үшін катодты материал болып табылады және оның ең үлкен артықшылығы оның жоғары қауіпсіздігі болып табылады. Оның сонымен қатар литий марганец оксиді мен никель{2}}марганец-кобальтты үштік материалдарында жетіспейтін артықшылықтар бар, мысалы, ұзақ айналым мерзімі, материалдың төмен құны және шикізат көздерінің молдығы. LFP батареяларының тұрақты кернеуі, қалыпты жұмыс кернеуі, электролиттік жүйелермен жақсы үйлесімділігі, -уытты емес, жадқа әсері жоқ және қоршаған ортаны ластамайды. Олардың меншікті энергиясы 100–130 Вт/кг жетуі мүмкін, бұл қорғасын қышқылды аккумуляторлардан 0,3–5 есе және никельді-металл гидридті батареялардан 1,5 есе көп. Оның көптеген артықшылықтарын ескере отырып, ол электр көліктері, жел және күн энергиясын сақтау және үйде пайдалану үшін қауіпсіз резервтік батареялар үшін тамаша аккумулятор болып саналады.
Литий-иондық батареяларға арналған басқа катодтық материалдарға арналған болжам-
▲Литий ванадий фосфатты катодты материал -
▲Литий марганец фосфатты катодты материал
▲Литий темір силикат катодты материал
▲Литий темір борат катодты материал
▲Литий{0}}қабатты катодты материалдар
Литий темір фосфаты (LFP) материалдарының пайда болуы үлкен{0}}масштабты литий-батареяларды кеңінен қолдану үшін материалтану негізін қалады.
Белгілі болғандай, литий{0}}иондық батареялардың қауіпсіздігі әрқашан саланың дамуын шектейтін негізгі және маңызды мәселе болды. Материалдық қасиеттері тұрақты және күрделі өңдеу жабдығы бар дамыған елдердің өзінде литий-ионды батареялардың қауіпсіздігіне толық кепілдік берілмейді. Менің елімдегі литий-иондық батареяларды өңдеудің қазіргі салыстырмалы түрде төмен-деңгейін ескере отырып, LFP-менің елімнің ұлттық шарттарына жақсы сәйкес келеді, бұл батарея қауіпсіздігін айтарлықтай жақсартады.