יתרונות וחסרונות של סוללת ליתיום ברזל פוספט LiFePO4
סוללת ליתיום ברזל פוספט מתייחסת לסוללת ליתיום יון המשתמשת בפוספט ליתיום ברזל כחומר האלקטרודה החיובי. החומרים הקתודיים של סוללות ליתיום- כוללים בעיקר ליתיום תחמוצת קובלט, ליתיום מנגנט, ליתיום ניקלאט, חומרים טרינריים ופוספט ליתיום ברזל. ביניהם, תחמוצת קובלט ליתיום היא כיום החומר הקתודי המשמש ברוב סוללות הליתיום-יון.
LiFePO4 משמש כאלקטרודה החיובית של הסוללה, המחוברת לאלקטרודה החיובית של הסוללה באמצעות רדיד אלומיניום. באמצע נמצא מפריד פולימרי, המפריד בין האלקטרודה החיובית לבין האלקטרודה השלילית, אבל ליתיום יון Li יכול לעבור אבל האלקטרון e- לא יכול לעבור. הצד הימני עשוי מפחמן (גרפיט). האלקטרודה השלילית של הסוללה מחוברת לאלקטרודה השלילית של הסוללה באמצעות רדיד נחושת. בין הקצה העליון והתחתון של הסוללה נמצא האלקטרוליט של הסוללה, והסוללה אטומה הרמטית על ידי מעטפת מתכת.
כאשר סוללת LiFePO4 נטענת, הליתיום יון Li באלקטרודה החיובית נודד אל האלקטרודה השלילית דרך מפריד הפולימר; במהלך תהליך הפריקה, הליתיום יון Li באלקטרודה השלילית נודד אל האלקטרודה החיובית דרך המפריד. סוללות ליתיום- נקראות על שם יוני ליתיום נעים קדימה ואחורה במהלך טעינה ופריקה.
ביצוע ראשי
המתח הנומינלי של סוללת LiFePO4 הוא 3.2V, מתח הטעינה הסופי הוא 3.6V, ומתח הפריקה הסופי הוא 2.0V. בשל האיכות והאומנות השונות של החומרים החיוביים והשליליים וחומרי האלקטרוליט המשמשים יצרנים שונים, יהיו כמה הבדלים בביצועים שלהם. לדוגמה, קיבולת הסוללה של אותו דגם (סוללה סטנדרטית באותה חבילה) שונה למדי (10 אחוז -20 אחוז).
מה שאני רוצה להסביר כאן הוא שלסוללות ליתיום ברזל פוספט המיוצרות על ידי מפעלים שונים יש כמה הבדלים בפרמטרים שונים של ביצועים; בנוסף, חלק מביצועי הסוללה אינם מופיעים ברשימה, כגון התנגדות פנימית של הסוללה, קצב פריקה עצמית-, טמפרטורת טעינה ופריקה וכו'.
ישנם הבדלים גדולים בקיבולת של סוללות ליתיום ברזל פוספט, אותן ניתן לחלק לשלוש קטגוריות: -בקנה מידה קטן של כמה עד כמה מיליאמפר, בקנה מידה בינוני-עשרות מיליאמפר- שעות, וב-קנה מידה גדול מאות מיליאמפר-שעות. פרמטרים דומים של סוגים שונים של סוללות יש גם כמה הבדלים.
בדיקת מתח יתר לאפס:
STL18650 (1100mAh) סוללת ליתיום ברזל פוספט שימשה לבדיקת-פריקה עד אפס מתח. תנאי בדיקה: טען במלואו סוללת 11{{10}}0mAh STL18650 עם קצב טעינה של 0.5C, ולאחר מכן פרוק בקצב פריקה של 1.0C עד שמתח הסוללה יהיה 0C. לאחר מכן חלקו את סוללות ה-0V לשתי קבוצות: קבוצה אחת מאוחסנת למשך 7 ימים, הקבוצה השנייה מאוחסנת למשך 30 ימים; לאחר תום האחסון, הסוללות נטענות במלואן בקצב טעינה של 0.5C, ולאחר מכן נפרקות ב-1.0C. לבסוף, השווה את ההבדל בין שתי תקופות אחסון המתח האפס-.
תוצאת הבדיקה היא שלסוללה אין דליפה לאחר 7 ימי אחסון במתח אפס, עם ביצועים טובים, והקיבולת היא 100 אחוז; לאחר אחסון למשך 30 יום, אין דליפה, עם ביצועים טובים, והקיבולת היא 98 אחוז; הסוללה לאחר 30 ימי אחסון נתונה ל-3 מחזורי טעינה-. הקיבולת חזרה ל-100 אחוז.
בדיקה זו מראה שגם אם סוללת הליתיום ברזל פוספט תתרוקן יותר{{0}}(אפילו ל-0V) ונשמר לפרק זמן מסוים, הסוללה לא תדלוף או תינזק. זהו מאפיין שאין לסוגים אחרים של סוללות ליתיום-יון.
היתרונות של סוללת ליתיום ברזל פוספט
1. שיפור ביצועי הבטיחות
הקשר P-O בגביש ליתיום ברזל פוספט יציב וקשה לפירוק. אפילו בטמפרטורה גבוהה או טעינת יתר, הוא לא יקרוס ויוצר חום כמו תחמוצת ליתיום קובלט או יוצר חומרים מחמצנים חזקים, כך שיש לו בטיחות טובה. דו"ח הצביע על כך שבפעולה בפועל, נמצא שחלק קטן מהדגימות נשרפות בדיקור או בניסויים קצרים-, אך לא אירע פיצוץ. בניסוי טעינת יתר נעשה שימוש בטעינת מתח גבוה שגבוהה פי כמה ממתח הפריקה העצמית, ונמצא שעדיין קיימות תופעת פיצוץ. עם זאת, בטיחות טעינת היתר שלו השתפרה מאוד בהשוואה לסוללות אלקטרוליט נוזלי רגיל של ליתיום קובלט אוקסיד.
2. שיפור תוחלת החיים
סוללת ליתיום ברזל פוספט מתייחסת לסוללת ליתיום יון המשתמשת בפוספט ליתיום ברזל כחומר אלקטרודה חיובי.
חיי המחזור של סוללת עופרת-ארוכים הם בערך פי 300, והגבוה ביותר הוא פי 500, בעוד אורך חיי המחזור של סוללת ליתיום ברזל פוספט הוא יותר מפי 2000, ו השימוש בטעינה הסטנדרטית (תעריף 5 שעות) יכול להגיע ל-2000 פעמים. סוללות חומצה-עופרת באותה איכות הן "חדשות חצי שנה, חצי שנה וחצי שנה לתחזוקה", כלומר 1 עד 1.5 שנים לכל היותר, בעוד שסוללת הליתיום ברזל פוספט משמשת תחת אותם תנאים, והחיים התיאורטיים יגיעו ל-7 עד 8 שנים. בהתחשב באופן מקיף, יחס המחיר של-ביצועים הוא תיאורטית יותר מפי 4 מזה של סוללות חומצת עופרת-. פריקת זרם גבוהה- יכולה לטעון ולפרוק במהירות זרם גבוה 2C. עם מטען ייעודי, ניתן לטעון את הסוללה במלואה תוך 40 דקות מטעינה של 1.5C, וזרם ההתנעה יכול להגיע ל-2C, אך לסוללות חומצה-עופרת אין ביצועים כאלה.
3. ביצועים טובים בטמפרטורה גבוהה
שיא החימום החשמלי של ליתיום ברזל פוספט יכול להגיע ל-350תוֹאַר-500תוֹאַר, בעוד ליתיום מנגנט וליתיום קובלטאט הם רק בסביבות 200תוֹאַר. טווח טמפרטורות הפעלה רחב (-20C-75C), עם עמידות בטמפרטורה גבוהה, שיא חימום חשמלי ליתיום ברזל פוספט יכול להגיע ל-350תוֹאַר-500תוֹאַר, בעוד ליתיום מנגנט וליתיום קובלטאט הם רק בסביבות 200תוֹאַר.
4. קיבולת גדולה
הקיבולת של הסוללה תרד במהירות מתחת לערך הקיבולת הנקוב כאשר הסוללה תמיד טעונה במלואה ולא ריקה. תופעה זו נקראת אפקט הזיכרון. כמו סוללות Ni-MH ו-Ni-Cd, יש זיכרון, אבל לסוללות ליתיום ברזל פוספט אין את התופעה הזו. לא משנה באיזה מצב הסוללה נמצאת, ניתן לטעון אותה ולהשתמש בה בכל עת מבלי לפרוק אותה לפני הטעינה.
6. קל משקל
הנפח של סוללת הליתיום ברזל פוספט מאותו מפרט וקיבולת הוא 2/3 מנפח סוללת העופרת-, והמשקל הוא 1/3 מסוללת העופרת-.
7. הגנת הסביבה
סוללות ליתיום ברזל פוספט נחשבות בדרך כלל נקיות מכל מתכות כבדות ומתכות נדירות (סוללת הניקל-מימן דורשת מתכות נדירות), לא-רעילות (מוסמך SGS), לא- מזהם, בהתאם לתקנות RoHS האירופיות, ותעודת סוללה ירוקה מוחלטת.
חסרונות של סוללות ליתיום ברזל פוספט
האם לחומר יש פוטנציאל פיתוח יישומי, בנוסף לתשומת לב ליתרונות שלו, הדבר הקריטי יותר הוא האם יש לחומר פגמים מהותיים.
1. בתהליך הסינטרינג במהלך הכנת פוספט ליתיום ברזל, תחמוצת ברזל עשויה להיות מופחתת לברזל אלמנטרי באווירה מפחיתה טמפרטורה גבוהה-. ברזל אלמנטרי עלול לגרום למיקרו-קצר חשמלי של הסוללה, שהוא החומר הכי טאבו בסוללה. זו גם הסיבה העיקרית שבגללה יפן לא השתמשה בחומר זה כחומר אלקטרודה חיובית לסוללות ליתיום מסוג -סוג-.
2. לליתיום ברזל פוספט יש כמה פגמים בביצועים, כגון צפיפות ברז נמוכה וצפיפות דחיסה, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיה נמוכה של סוללות ליתיום יון. ביצועי הטמפרטורות הנמוכות גרועות, גם אם היא ננומטרית ומצופה בפחמן, בעיה זו לא נפתרת. כאשר ד"ר דון הילברנד, מנהל מרכז מערכות אחסון האנרגיה של המעבדה הלאומית של ארגון, דיבר על הביצועים בטמפרטורה- הנמוכה של סוללות ליתיום ברזל פוספט, הוא תיאר זאת כאיום. תוצאות הבדיקה שלהם על סוללות ליתיום ברזל פוספט ליתיום- הראו שסוללות ליתיום ברזל פוספט נמצאות בטמפרטורות נמוכות. (מתחת ל-0תוֹאַרג) אין אפשרות לנהוג במכונית חשמלית. למרות שחלק מהיצרנים טוענים שקצב שימור הקיבולת של סוללות ליתיום ברזל פוספט טוב בטמפרטורות נמוכות, כלומר כאשר זרם הפריקה קטן ומתח הפריקה-נמוך מאוד. במצב זה, המכשיר אינו יכול להתחיל לעבוד כלל.
3. עלות הכנת החומר ועלות הייצור של הסוללה גבוהות יחסית, תפוקת הסוללה נמוכה והעקביות ירודה. למרות שהננומטריזציה וציפוי הפחמן של ליתיום ברזל פוספט משפרים את הביצועים האלקטרוכימיים של החומר, הם מביאים גם לבעיות אחרות, כגון הפחתת צפיפות האנרגיה, עלייה בעלות הסינתזה, ביצועי עיבוד אלקטרודות גרועים ודרישות סביבתיות קשות. למרות שהיסודות הכימיים Li, Fe ו-P בפוספט ליתיום ברזל נמצאים בשפע והעלות נמוכה, העלות של מוצר ליתיום ברזל פוספט המוכן אינה נמוכה. גם אם יוסרו עלויות המחקר והפיתוח הקודמות, עלות התהליך של החומר גבוהה יותר. עלות הכנת הסוללה תגרום לעלות אחסון האנרגיה הסופית ליחידה גבוהה יותר.
4. עקביות ירודה של המוצר. נכון לעכשיו, אין מפעל לחומרי ליתיום ברזל פוספט בסין שיכול לפתור בעיה זו. מנקודת המבט של הכנת החומר, תגובת הסינתזה של ליתיום ברזל פוספט היא תגובה רב-פאזית מורכבת, הכוללת פוספטים מוצקים, תחמוצות ברזל ומלחי ליתיום, בתוספת מבשרי פחמן ושלבי גז מפחיתים. בתהליך תגובה מורכב זה, קשה להבטיח את עקביות התגובה.
5. סוגיות קניין רוחני. נכון להיום, הפטנט הבסיסי של ליתיום ברזל פוספט נמצא בבעלות אוניברסיטת טקסס, בעוד שהפטנט על ציפוי הפחמן מוחל על ידי קנדים. לא ניתן לעקוף את שני הפטנטים הבסיסיים הללו. אם כלולות תמלוגים בעלות, עלות המוצר תוגדל עוד יותר.
