Avec l'ajustement continu de la structure énergétique mondiale et le développement rapide des énergies renouvelables,stockage d'énergiela technologie devient progressivement un support important pour la transformation énergétique et un moteur du développement économique futur.
Introduction à la technologie des batteries de stockage d’énergie
▲Conversion, stockage et utilisation de l'énergie
▲Classification et application des technologies de stockage d'énergie
▲Présentation des batteries de stockage d'énergie
▲Principe de fonctionnement et composition des batteries de stockage d'énergie
▲Indicateurs de performance et terminologie associée des batteries de stockage d'énergie
L’énergie est la force fondamentale qui anime le monde et une ressource essentielle dont dépend le développement de la société humaine. Depuis l'utilisation initiale du feu jusqu'à l'électricité d'aujourd'hui, le développement et l'utilisation de l'énergie ont propulsé le progrès de la civilisation et façonné notre structure sociale actuelle.
Avec la croissance continue de la demande mondiale d’énergie et le développement rapide des énergies renouvelables, la technologie des batteries de stockage d’énergie a émergé et est devenue un pilier crucial du secteur énergétique. Les batteries de stockage d'énergie peuvent stocker efficacement des sources d'énergie intermittentes telles que l'énergie éolienne et solaire et les libérer pendant les périodes de pointe de demande, garantissant ainsi la stabilité de l'alimentation électrique. Cette technologie réduit non seulement la dépendance aux combustibles fossiles traditionnels, mais offre également des garanties importantes pour parvenir à des systèmes énergétiques durables et à faibles émissions de carbone.
Le développement de la technologie des batteries de stockage d'énergie, des batteries traditionnelles au plomb-acide aux batteries modernes au lithium-ion, puis aux nouvelles batteries-à l'état solide et aux batteries sodium-ion, élimine constamment les goulots d'étranglement technologiques. En améliorant la densité énergétique, en prolongeant la durée de vie et en renforçant la sécurité, les batteries de stockage d'énergie ont montré de larges perspectives d'application dans des domaines tels que le stockage d'énergie domestique, les transports et la régulation du réseau. On peut dire que la technologie des batteries de stockage d’énergie est non seulement la clé de la transformation actuelle de la structure énergétique, mais également le cœur des futurs réseaux intelligents et systèmes énergétiques distribués.
Technologie de stockage d'énergie par batterie au lithium-
▲Structure et principe de fonctionnement des batteries lithium-ion
▲Matériaux cathodiques des batteries au lithium-ion
▲Matériaux d'anode de batterie au lithium-ion
▲Électrolyte de batterie au lithium-ion
▲Conception et fabrication de batteries lithium-ion
En 1970, MS Whittingham d'ExxonMobil a créé la première batterie lithium-ion. Il a utilisé du disulfure de titane et du lithium métallique comme électrodes positives et négatives, respectivement. Pendant la charge et la décharge, le lithium métallique est continuellement consommé et généré au niveau de l'électrode négative, tandis que le disulfure de titane insère et extrait en continu des ions lithium au niveau de l'électrode positive. Ces deux processus sont réversibles tout au long de la durée de vie de la batterie, formant ainsi une batterie secondaire au lithium-ion avec une tension de 2 V. En 1982, RR Agarwal et JR Selman de l'Illinois Institute of Technology ont découvert que les ions lithium ont la propriété de s'intercaler dans le graphite, un processus rapide et réversible... Depuis leur création, les batteries lithium-ion ont subi un processus de recherche, de développement et d'évolution. Grâce à leurs performances supérieures et pratiques, ils pénètrent de plus en plus dans divers domaines, depuis les produits 3C comme les téléphones mobiles et les tablettes jusqu'aux secteurs de l'énergie tels que les véhicules électriques et les domaines de stockage d'énergie à grande échelle comme le photovoltaïque et l'énergie éolienne, ce qui a un impact significatif sur la vie sociale.
Qu'est-ce qu'une batterie ?
▲ Historique de développement de la batterie
▲Présentation des batteries au lithium-ion
▲Caractéristiques des batteries lithium-ion
▲Matériaux clés des batteries-lithium-ion
Une batterie est un type de source d’énergie. Les sources d’énergie sont généralement divisées en sources d’énergie physiques et sources d’énergie chimiques. Les sources d'énergie physique comprennent les dispositifs de production d'énergie solaire, les dispositifs de production d'énergie thermoélectrique, les générateurs thermiques et hydroélectriques, etc. ; tandis que les sources d'énergie chimiques font référence à des dispositifs de production d'énergie capables de convertir directement l'énergie chimique en énergie électrique, c'est-à-dire des batteries chimiques au sens général, ou simplement des batteries.
Les systèmes de batteries ont évolué sur quatre générations : les batteries au plomb-acide, les batteries au nickel-cadmium, les batteries au nickel-hydrure métallique et les batteries au lithium-ion. Les performances des batteries se sont continuellement améliorées et la compréhension humaine des systèmes de batteries s’est approfondie. Actuellement, les batteries lithium-ion constituent le système de batterie rechargeable le plus efficace et-énergétique, représentant le plus haut niveau de recherche et de technologie sur les batteries humaines.
Historique de la recherche et du développement des matériaux au lithium fer phosphate
▲Historique du développement des matériaux au lithium et au phosphate de fer
▲Situation des brevets du phosphate de fer et de lithium
▲Etudes structurelles et de performances des matériaux phosphate de fer lithium
Le phosphate de fer lithium (LiFeP, LFP, également connu sous le nom de phosphate de fer lithium ou phosphate de fer lithium) est un matériau cathodique utilisé dans les batteries lithium-ion. Elle se caractérise par l'absence d'éléments précieux tels que le cobalt et le nickel, les faibles prix des matières premières et l'abondance de ressources en phosphore, lithium et fer dans la croûte terrestre, capables de répondre à une demande du marché dépassant un million de tonnes par an. En tant que matériau de cathode, le phosphate de fer lithium a une tension de fonctionnement modérée (3,2 V), une capacité spécifique élevée (170 mA·h/g), une puissance de décharge élevée, une capacité de charge rapide, une longue durée de vie et une bonne stabilité dans des environnements à haute température et à haute température.
Équipement de production utilisé dans la fabrication de matériaux de phosphate de fer et de lithium
▲ Exigences en matière d'équipement de production : équipement de mélange ; équipement de séchage ; équipement de frittage ; équipement de concassage ; Équipement de dépistage ; Générateur d'azote ; équipement d'emballage.
Lorsque des matériaux cathodiques au lithium fer phosphate (LFP) sont utilisés dans la fabrication de batteries au lithium-ion, les exigences concernant leur pureté, leur phase et leurs impuretés sont extrêmement strictes. Par exemple, lorsque le degré d'oxydation du fer divalent dans le LFP atteint 1 %, la capacité spécifique peut diminuer de plus de 30 %. En effet, le fer trivalent nouvellement généré recouvre la surface du LFP, formant une couche réactive qui empêche d’autres réactions internes. Si le LFP a déjà été oxydé, les méthodes de réduction ultérieures ne peuvent pas produire de LFP car les ions lithium contenus dans la matière première ont déjà été perdus.
Préparation de matériaux au phosphate de fer et de lithium par la méthode de l'oxalate ferreux
▲Principe de synthèse
▲Principales matières premières synthétiques
▲Processus de synthèse
▲Performance des matériaux synthétiques
Le processus de synthèse du phosphate de fer et de lithium utilisant l'oxalate ferreux comme matière première est appelé méthode de l'oxalate ferreux (ou simplement méthode ferreuse). Actuellement, la méthode à l'oxalate ferreux est le procédé et la méthode les plus largement utilisés en Chine, avec plus de la moitié des fabricants nationaux l'utilisant. Ses principaux avantages sont de faibles coûts de matières premières, un processus simple et un contrôle facile des ratios d'ingrédients.
Préparation de matériaux de phosphate de fer et de lithium par réduction carbothermique
▲Principe de synthèse
▲Principales matières premières synthétiques
▲Processus de synthèse
▲Performance des matériaux synthétiques
Parmi les fabricants produisant des matériaux au phosphate de fer et de lithium (LiFePO4), la méthode de réduction carbothermique est actuellement la deuxième technologie la plus utilisée après la méthode à l'oxalate ferreux. Sa principale matière première est le fer ferrique (Fe2PO4), notamment le phosphate de fer (Fe2PO4) et l'oxyde de fer (Fe2O3). Au cours de la réaction, le carbone (C) et le monoxyde de carbone (C2O3) réduisent le fer ferrique (Fe2PO4) en fer ferreux (Fe2+), qui pénètre ensuite dans le réseau cristallin, formant la structure cristalline du phosphate de fer lithium (LiFePO4).
L'avantage de la méthode de réduction carbothermique est qu'il n'est pas nécessaire de prendre en compte l'oxydation des matières premières lors du traitement ; diverses méthodes de mélange peuvent être utilisées pour traiter les matières premières afin d'obtenir l'état de dispersion souhaité. Ce n'est qu'au stade à haute température que le carbone réduit le fer ferrique en fer ferreux, formant du phosphate de fer et de lithium, d'où le nom de méthode de réduction carbothermique. La méthode de réduction carbothermique permet d'obtenir une réduction en une-étape, de réduire la production de gaz et d'améliorer le rendement. Dans le même temps, le processus de synthèse est simple et facile à contrôler, ce qui conduit un nombre croissant d’entreprises à adopter la méthode de réduction carbothermique.
Préparation hydrothermale de matériaux de phosphate de fer et de lithium
▲Principe de synthèse
▲Principales matières premières synthétiques
▲Processus de synthèse
▲Performance des matériaux synthétiques
La méthode hydrothermale est une méthode relativement avancée pour préparer des matériaux cathodiques au phosphate de fer et de lithium. Son processus principal utilise un système hydrothermique supercritique, dissolvant le sulfate ferreux, l'hydroxyde de lithium et l'acide phosphorique dans l'eau, chauffant la solution à plus de 100 degrés dans un environnement scellé pour former une solution aqueuse à haute-température et haute-pression. La réaction se déroule par diffusion ionique, générant des particules cristallines de phosphate de fer et de lithium. Le matériau de phosphate de fer et de lithium pur est ensuite filtré, séché et recouvert de carbone - pour former un composite phosphate de fer et de lithium/carbone.
Méthodes conventionnelles de test et d'analyse pour les matériaux au phosphate de fer et de lithium
▲ Analyse de la composition chimique et méthodes d'essai pour les matériaux au phosphate de fer et de lithium
▲ Méthodes de test des propriétés physiques des matériaux au lithium et au phosphate de fer
▲ Méthodes de test de performance électrochimique pour les matériaux au lithium et au phosphate de fer
▲Évaluation des applications pratiques des matériaux à base de phosphate de fer et de lithium
Pour les matériaux au lithium fer phosphate (LFP), les tests constituent une technologie de base, encore plus importante que le contrôle du processus de synthèse. Sans données de test précises et exactes, des conditions de processus stables ne peuvent pas être obtenues et, par conséquent, des produits LFP qualifiés répondant aux exigences d'utilisation ne peuvent pas être produits. Des tests rigoureux des matériaux sont essentiels tout au long du processus de production, depuis l'approvisionnement en matières premières et la synthèse jusqu'à l'évaluation du produit fini. Par conséquent, toute unité recherchant et produisant du LFP doit accorder une grande importance à la construction de son système de test. L'utilisation d'équipements de test sophistiqués, de méthodes de test rigoureuses et d'un personnel de test bien formé sont des conditions fondamentales pour qu'une entreprise puisse maintenir sa position dans le secteur.
Analyse d'autres propriétés caractéristiques des matériaux au phosphate de fer et de lithium
▲ Analyse des performances électrochimiques des matériaux au phosphate de fer et de lithium
▲Analyse morphologique au microscope électronique des matériaux au phosphate de fer et de lithium
▲Énergie de surface des matériaux au lithium et au phosphate de fer
▲Mesure de la solubilité du fer dans les matériaux au lithium et au phosphate de fer
▲ Caractéristiques spectroscopiques des matériaux au phosphate de fer et de lithium
Dans l'application pratique des matériaux au phosphate de fer et de lithium, en plus des tests de performances de routine, il est également nécessaire de mesurer certaines propriétés spécifiques afin de fournir une référence pour l'évaluation des performances des matériaux et les processus de fabrication des batteries. Grâce aux progrès de la technologie, certains paramètres qui ne pouvaient auparavant être mesurés qu’à l’aide de cellules entières peuvent désormais être déterminés à l’aide de méthodes simples. Par exemple, les performances du cycle des matériaux au lithium fer phosphate, en particulier les performances du cycle du carbone, peuvent désormais être évaluées à l’aide de piles boutons spécialement conçues, simplifiant considérablement le processus de mesure.
Technologie de fabrication de batteries utilisant des matériaux au lithium fer phosphate
▲ Spécifications de conception du système de batterie au lithium fer phosphate
▲ Technologie de préparation de boues de phosphate de fer et de lithium
▲Revêtement de suspension de phosphate de fer et de lithium
▲ Roulement d'électrodes au lithium fer phosphate
▲Transformation et division
▲Autres exemples de fabrication de batteries
Pour toute batterie lithium-ion, la conception initiale est la tâche principale. Le travail de conception consiste à déterminer le processus de fabrication de la batterie lithium-ion. Étant donné que les performances de la batterie sont principalement déterminées par les électrodes, la conception des électrodes est un aspect essentiel du processus de fabrication des batteries. Cela est également vrai pour les batteries au lithium fer phosphate.
Principaux domaines d'application des batteries au lithium fer phosphate
▲Applications des batteries au lithium fer phosphate dans les appareils de transport électriques
▲Applications des batteries au lithium fer phosphate dans l'alimentation électrique de stockage d'énergie
▲Applications des batteries au lithium fer phosphate dans les outils électriques
▲Applications des batteries au lithium fer phosphate
Le lithium fer phosphate (LFP) est le matériau cathodique des batteries lithium-ion, et son plus grand avantage est sa haute sécurité. Il possède également des avantages qui manquent aux matériaux ternaires à base d'oxyde de lithium et de manganèse et de nickel-manganèse-cobalt, tels qu'une longue durée de vie, un faible coût des matériaux et des sources de matières premières abondantes. Les batteries LFP ont une tension stable, une tension de fonctionnement modérée, une bonne compatibilité avec les systèmes électrolytiques, sont non-toxiques, n'ont pas d'effet mémoire et ne polluent pas l'environnement. Leur énergie spécifique peut atteindre 100 à 130 Wh/kg, soit 0,3 à 5 fois celle des batteries au plomb-acide et 1,5 fois celle des batteries au nickel-hydrure métallique. Compte tenu de ses nombreux avantages, elle est considérée comme une batterie idéale pour les véhicules électriques, le stockage de l’énergie éolienne et solaire et des batteries de secours sûres pour un usage domestique.
Perspectives concernant d'autres matériaux cathodiques pour les batteries au lithium-ion
▲Matériau de cathode au phosphate de lithium vanadium -
▲Matériau de cathode au phosphate de lithium et de manganèse
▲ Matériau de cathode en silicate de fer et de lithium
▲ Matériau cathodique au borate de fer et de lithium
▲Matériaux cathodiques en couches riches en lithium-
L'émergence des matériaux lithium-fer-phosphate (LFP) a jeté les bases de la science des matériaux pour l'application généralisée des batteries-lithium-ion à grande échelle.
Comme chacun le sait, la sécurité des batteries lithium-ion a toujours été un problème central et critique limitant le développement de l'industrie. Même dans les pays développés dotés de propriétés matérielles stables et d'équipements de traitement sophistiqués, la sécurité des batteries lithium-ion ne peut pas être entièrement garantie. Compte tenu du niveau relativement faible actuel de traitement des batteries lithium-ion dans mon pays, le LFP est bien-adapté aux conditions nationales de mon pays, améliorant considérablement la sécurité des batteries.