עם התאמה מתמשכת של מבנה האנרגיה העולמי והפיתוח המהיר של אנרגיה מתחדשת,אגירת אנרגיההטכנולוגיה הופכת בהדרגה לתמיכה חשובה בשינוי אנרגיה ומניעה את הפיתוח הכלכלי העתידי.
מבוא לטכנולוגיית סוללות לאחסון אנרגיה
▲סיווג ויישום של טכנולוגיות אחסון אנרגיה
▲סקירה כללית של סוללות לאחסון אנרגיה
▲עקרון עבודה והרכב של סוללות אגירת אנרגיה
▲מדדי ביצועים ומינוח קשור של סוללות אחסון אנרגיה
אנרגיה היא הכוח הבסיסי המניע את העולם ומשאב ליבה שבו החברה האנושית תלויה להתפתחות. מהשימוש הראשוני באש ועד לחשמל של היום, הפיתוח והניצול של האנרגיה הניעו את התקדמות הציוויליזציה ועיצבו את המבנה החברתי הנוכחי שלנו.
עם הצמיחה המתמשכת של הביקוש לאנרגיה עולמית והפיתוח המהיר של אנרגיה מתחדשת, טכנולוגיית סוללות אחסון אנרגיה צצה והפכה לעמוד מכריע במגזר האנרגיה. סוללות אחסון אנרגיה יכולות לאחסן ביעילות מקורות אנרגיה לסירוגין כמו רוח ואנרגיה סולארית ולשחרר אותם בתקופות שיא הביקוש, מה שמבטיח את יציבות אספקת החשמל. טכנולוגיה זו לא רק מפחיתה את התלות בדלקים מאובנים מסורתיים, אלא גם מספקת ערבויות חשובות להשגת מערכות פחמן נמוכות- ואנרגיה בת קיימא.
הפיתוח של טכנולוגיית סוללות אחסון אנרגיה, מסוללות עופרת-חומצה מסורתיות לסוללות ליתיום-יון מודרניות, ולאחר מכן לסוללות מוצקות- וסוללות נתרן-יון, פורצת ללא הרף דרך צווארי בקבוק טכנולוגיים. על ידי שיפור צפיפות האנרגיה, הארכת תוחלת החיים ושיפור הבטיחות, סוללות אחסון אנרגיה הראו סיכויי יישום רחבים בתחומים כמו אחסון אנרגיה ביתי, תחבורה וויסות רשתות. ניתן לומר שטכנולוגיית סוללות אחסון אנרגיה היא לא רק המפתח לשינוי מבנה האנרגיה הנוכחי אלא גם הליבה של רשתות חכמות עתידיות ומערכות אנרגיה מבוזרות.
טכנולוגיית אחסון אנרגיה מבוססת ליתיום-
▲מבנה ועקרון העבודה של סוללות ליתיום-יון
▲חומרי קתודה של סוללת ליתיום-יון
▲חומרי אנודה של סוללת ליתיום-יון
▲אלקטרוליט של סוללת ליתיום-יון
▲עיצוב וייצור של סוללות ליתיום-יון
בשנת 1970, MS Whittingham מ-ExxonMobil יצרה את סוללת הליתיום-הראשונה. הוא השתמש בטיטניום דיסולפיד ובליתיום מתכתי כאלקטרודות החיוביות והשליליות, בהתאמה. במהלך הטעינה והפריקה, ליתיום מתכתי נצרך באופן רציף ונוצר באלקטרודה השלילית, בעוד טיטניום דיסולפיד מחדיר ומחלץ יוני ליתיום ברציפות באלקטרודה החיובית. שני התהליכים הללו הפיכים לאורך כל אורך החיים של הסוללה, ובכך יוצרים סוללת ליתיום-יון משנית עם מתח של 2V. בשנת 1982, RR Agarwal ו-JR Selman מהמכון הטכנולוגי של אילינוי גילו שליוני ליתיום יש את התכונה להשתלב לגרפיט, תהליך שהוא מהיר והפיך{6} התחילו את הסוללה{6} תהליך של מחקר, פיתוח ואבולוציה. עם הביצועים המעולים והנוחים שלהם, הם חודרים יותר ויותר לתחומים שונים, ממוצרי 3C כמו טלפונים ניידים וטאבלטים ועד למגזרי אנרגיה כגון רכבים חשמליים ושדות אחסון אנרגיה-בקנה מידה גדול כמו פוטו וולטאיות ואנרגיית רוח, ומשפיעים באופן משמעותי על החיים החברתיים.
מהי סוללה?
▲ היסטוריית פיתוח הסוללה
▲מבוא לסוללות ליתיום-יון
▲תכונות של סוללות ליתיום-יון
▲חומרי מפתח בסוללות ליתיום-יון
סוללה היא סוג של מקור כוח. מקורות כוח מחולקים בדרך כלל למקורות כוח פיזיים ומקורות כוח כימיים. מקורות הכוח הפיזיים כוללים מכשירי ייצור חשמל סולאריים, מכשירי ייצור חשמל תרמו-אלקטריים, גנרטורים תרמיים והידרואלקטרים וכו'; בעוד שמקורות כוח כימיים מתייחסים למכשירי ייצור חשמל שיכולים להמיר ישירות אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, כלומר סוללות כימיות במובן הכללי, או פשוט סוללות.
מערכות סוללות התפתחו במשך ארבעה דורות: סוללות עופרת-חומצה, סוללות ניקל-קדמיום, סוללות ניקל-מתכת הידריד וסוללות ליתיום-יון. ביצועי הסוללה השתפרו ללא הרף, וההבנה האנושית של מערכות הסוללה העמיקה. נכון לעכשיו, סוללות ליתיום-יונים הן מערכת הסוללות הנטענות- היעילה והאנרגטית ביותר, המייצגות את הרמה הגבוהה ביותר של מחקר וטכנולוגיה של סוללות אנושיות.
היסטוריה של מחקר ופיתוח של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ היסטוריית התפתחות של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ מצב פטנט של ליתיום ברזל פוספט
▲מחקרי מבנה וביצועים של חומרי ליתיום ברזל פוספט
ליתיום ברזל פוספט (LiFeP, LFP, הידוע גם בשם ליתיום ברזל פוספט או ליתיום ברזל פוספט) הוא חומר קתודה המשמש בסוללות ליתיום-יון. הוא מאופיין בהיעדר יסודות יקרי ערך כמו קובלט וניקל, מחירי חומרי גלם נמוכים ושפע משאבי זרחן, ליתיום וברזל בקרום כדור הארץ, שיכולים לעמוד בביקוש בשוק העולה על מיליון טון בשנה. כחומר קתודה, לליתיום ברזל פוספט יש מתח פעולה בינוני (3.2V), קיבולת ספציפית גבוהה (170mA·h/g), עוצמת פריקה גבוהה, יכולת טעינה מהירה, חיי מחזור ארוכים ויציבות טובה בסביבות טמפרטורה גבוהה וחום גבוה.
ציוד ייצור המשמש לייצור חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲דרישות ציוד ייצור:;ציוד ערבוב;ציוד ייבוש;ציוד ליטוש,;ציוד ריסוק; ציוד הקרנה; מחולל חנקן; ציוד אריזה.
כאשר משתמשים בחומרי קתודה של ליתיום ברזל (LFP) בייצור סוללות ליתיום-, הדרישות לטוהר, לשלב ולזיהומים שלהן הן מחמירות ביותר. לדוגמה, כאשר דרגת החמצון של ברזל דו ערכי ב-LFP מגיעה ל-1%, הקיבולת הספציפית יכולה לרדת ביותר מ-30%. הסיבה לכך היא שהברזל המשולש החדש שנוצר מצפה את פני השטח של ה-LFP, ויוצר שכבה תגובתית המונעת תגובות פנימיות נוספות. אם LFP כבר התחמצן, שיטות ההפחתה שלאחר מכן לא יכולות להניב LFP מכיוון שיוני הליתיום בחומר הגלם כבר אבדו.
הכנת חומרי ליתיום ברזל פוספט בשיטת ברזל אוקסלט
▲עקרון סינתזה
▲חומרי גלם סינתטיים עיקריים
▲ תהליך סינתזה
▲ביצועים של חומרים סינתטיים
תהליך סינתזה של ליתיום ברזל פוספט באמצעות ברזל אוקסלט כחומר גלם נקרא שיטת ברזל אוקסלט (או פשוט שיטת ברזל). נכון לעכשיו, שיטת הברזל אוקסלט היא התהליך והשיטה הנפוצים ביותר בסין, כאשר יותר ממחצית מהיצרנים המקומיים משתמשים בה. היתרונות העיקריים שלו הם עלויות נמוכות של חומרי גלם, תהליך פשוט ושליטה קלה על יחסי המרכיבים.
הכנת חומרי ליתיום ברזל פוספט על ידי הפחתת פחמימות
▲עקרון סינתזה
▲חומרי גלם סינתטיים עיקריים
▲ תהליך סינתזה
▲ביצועים של חומרים סינתטיים
מבין היצרנים המייצרים חומרי ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4), שיטת הפחתת הפחמימות היא כיום הטכנולוגיה השנייה בשימוש נרחב אחרי שיטת הברזל אוקסלט. חומר הגלם העיקרי שלו הוא ברזל ברזל (Fe2PO4), כולל ברזל פוספט (Fe2PO4) ותחמוצת ברזל (Fe2O3). במהלך התגובה, פחמן (C) ופחמן חד חמצני (C2O3) מפחיתים ברזל ברזל (Fe2PO4) לברזל ברזל (Fe2+), אשר לאחר מכן נכנס לרשת הגביש, ויוצר את המבנה הגבישי של פוספט ליתיום ברזל (LiFePO4).
היתרון של שיטת הפחתת הפחמימות הוא בכך שאין צורך להתחשב בחמצון חומרי הגלם במהלך העיבוד; ניתן להשתמש בשיטות ערבוב שונות לעיבוד חומרי הגלם להשגת מצב הפיזור הרצוי. רק בשלב הטמפרטורה הגבוהה פחמן מפחית ברזל ברזל לברזל ברזל, ויוצר פוספט ליתיום ברזל, ומכאן השם שיטת הפחתת פחמימות. שיטת הפחתת הפחמימות משיגה הפחתה-בשלב אחד, מפחיתה את תפוקת הגז ומועילה לשיפור התפוקה. יחד עם זאת, תהליך הסינתזה פשוט וקל לשליטה, מה שמוביל למספר הולך וגדל של חברות המאמצות את שיטת הפחתת הפחמימות.
הכנה הידרותרמית של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲עקרון סינתזה
▲חומרי גלם סינתטיים עיקריים
▲ תהליך סינתזה
▲ביצועים של חומרים סינתטיים
השיטה ההידרותרמית היא שיטה מתקדמת יחסית להכנת חומרי קתודה ליתיום ברזל פוספט. התהליך העיקרי שלו משתמש במערכת הידרותרמית סופר-קריטית, המסת סולפט ברזל, ליתיום הידרוקסיד וחומצה זרחתית במים, מחממת את התמיסה למעל 100 מעלות בסביבה אטומה ליצירת תמיסה מימית-בטמפרטורה גבוהה-בלחץ גבוה. התגובה ממשיכה באמצעות דיפוזיה של יונים, ויוצרת חלקיקי גביש ליתיום ברזל פוספט. לאחר מכן, חומר הליתיום ברזל פוספט טהור מסונן, מיובש ומצופה פחמן- ליצירת תרכובת ליתיום ברזל פוספט/פחמן.
שיטות בדיקה וניתוח קונבנציונליות לחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ שיטות ניתוח ובדיקה של הרכב כימי לחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲שיטות בדיקת מאפיינים פיזיים לחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲שיטות בדיקת ביצועים אלקטרוכימיים לחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲הערכה של יישומים מעשיים של חומרי ליתיום ברזל פוספט
עבור חומרי ליתיום ברזל פוספט (LFP), בדיקה היא טכנולוגיית ליבה, חשובה אפילו יותר מבקרת תהליך סינתזה. ללא נתוני בדיקה מדויקים ומדויקים, לא ניתן להשיג תנאי תהליך יציבים, ולפיכך, לא ניתן לייצר מוצרי LFP מוסמכים העומדים בדרישות השימוש. בדיקה קפדנית של חומרים חיונית לאורך כל תהליך הייצור, החל מרכישת חומרי גלם וסינתזה ועד להערכת המוצר המוגמר. לכן, כל יחידה החוקרת ומייצרת LFP חייבת לשים דגש רב על בניית מערכת הבדיקות שלה. שימוש בציוד בדיקה מתוחכם, שיטות בדיקה קפדניות ואנשי בדיקה-מיומנים היטב הם התנאים הבסיסיים לחברה לשמור על מעמדה בתעשייה.
ניתוח של תכונות אופייניות אחרות של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ ניתוח ביצועים אלקטרוכימי של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ ניתוח מורפולוגיה אלקטרונית של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ אנרגיית פני השטח של חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ מדידת מסיסות ברזל בחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ מאפיינים ספקטרוסקופיים של חומרי ליתיום ברזל פוספט
ביישום המעשי של חומרי ליתיום ברזל פוספט, בנוסף לבדיקות הביצועים השגרתיות, יש צורך גם למדוד כמה מאפיינים ספציפיים כדי לספק התייחסות להערכת ביצועי חומרים ותהליכי ייצור סוללות. עם התקדמות הטכנולוגיה, ניתן כיום לקבוע כמה פרמטרים שבעבר ניתן היה למדוד רק באמצעות תאים מלאים באמצעות שיטות פשוטות. לדוגמה, ניתן כעת להעריך את ביצועי המחזור של חומרי ליתיום ברזל פוספט, במיוחד את ביצועי מחזור הפחמן, באמצעות תאי מטבע שתוכננו במיוחד, מה שמפשט מאוד את תהליך המדידה.
טכנולוגיית ייצור סוללות תוך שימוש בחומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ מפרט עיצוב מערכת סוללת ליתיום ברזל פוספט
▲טכנולוגיית הכנת חומרי ליתיום ברזל פוספט
▲ ציפוי של תמיסת ליתיום ברזל פוספט
▲ גלגול אלקטרודות ליתיום ברזל פוספט
▲טרנספורמציה וחלוקה
▲דוגמאות אחרות לייצור סוללות
עבור כל סוללת ליתיום-יון, העיצוב הראשוני הוא המשימה העיקרית. עבודת התכנון כוללת קביעת תהליך הייצור של סוללת הליתיום-יון. מכיוון שביצועי הסוללה נקבעים בעיקר על ידי האלקטרודות, עיצוב האלקטרודות הוא היבט הליבה של תהליך ייצור הסוללה. זה נכון גם לגבי סוללות ליתיום ברזל פוספט.
אזורי יישום עיקריים של סוללות ליתיום ברזל פוספט
▲יישומים של סוללות ליתיום ברזל פוספט במכשירי תחבורה חשמליים
▲ יישומים של סוללות ליתיום ברזל פוספט באספקת חשמל לאגירת אנרגיה
▲יישומים של סוללות ליתיום ברזל פוספט בכלי עבודה חשמליים
▲ יישומים של סוללות ליתיום ברזל פוספט
ליתיום ברזל פוספט (LFP) הוא החומר הקתודי לסוללות ליתיום-, והיתרון הגדול ביותר שלו הוא הבטיחות הגבוהה שלו. יש לו גם יתרונות שחסרים לחומרים משולשים של ליתיום מנגן וניקל-מנגן-קובלט, כגון חיי מחזור ארוכים, עלות חומר נמוכה ומקורות חומר גלם רבים. לסוללות LFP יש מתח יציב, מתח פעולה בינוני, תאימות טובה למערכות אלקטרוליטים, אינן- רעילות, אין להן אפקט זיכרון ואינן מזהמות את הסביבה. האנרגיה הספציפית שלהם יכולה להגיע ל-100-130 וואט/ק"ג, שהם פי 0.3-5 מזו של סוללות{11}}עופרת ופי 1.5 מזו של סוללות ניקל-מתכת הידריד. לאור יתרונותיו הרבים, היא נחשבת למצבר אידיאלי עבור כלי רכב חשמליים, אחסון אנרגיית רוח ושמש וסוללות גיבוי בטוחות לשימוש ביתי.
Outlook עבור חומרים קתודיים אחרים עבור סוללות ליתיום-
▲חומר קתודה ליתיום ונדיום פוספט -
▲חומר קתודית ליתיום מנגן פוספט
▲חומר קתודית ליתיום ברזל סיליקט
▲חומר קתודה של ברזל ליתיום בוראט
▲ליתיום-חומרי קתודה עשירים בשכבות
הופעת חומרי ליתיום ברזל פוספט (LFP) הניחה את הבסיס למדעי החומר ליישום נרחב של סוללות ליתיום- בקנה מידה גדול.
כידוע, הבטיחות של סוללות ליתיום-יון תמיד הייתה נושא מרכזי וקריטי המגביל את הפיתוח של התעשייה. אפילו במדינות מפותחות עם תכונות חומר יציבות וציוד עיבוד מתוחכם, לא ניתן להבטיח באופן מלא את הבטיחות של סוללות ליתיום-יון. לאור הרמה הנמוכה יחסית הנוכחית של עיבוד סוללת ליתיום-במדינה שלי, LFP מתאים- היטב לתנאים הלאומיים של המדינה שלי, ומשפר באופן משמעותי את בטיחות הסוללה.