Lityum demir fosfat pil - Lithium iron phosphate battery

Lityum demir fosfat pil
Spesifik enerji90–160 Wh / kg (320–580 J / g veya kJ / kg)[1]
Enerji yoğunluğu325 Wh /L (1200 kJ / L)[1]
Özgül güçyaklaşık 200W /kilogram[2]
Enerji / tüketici fiyatı3.0–24 Wh / US $[3]
Zaman dayanıklılığı> 10 yıl
Döngü dayanıklılığı2,000-12000[4] döngüleri
Nominal hücre voltajı3.2 V

lityum demir fosfat pil (LiFePO
4 pil) veya LFP pil (lityum ferrofosfat), bir tür Lityum iyon batarya kullanma LiFePO
4 olarak katot malzeme (bir pilde bu pozitif taraftır) ve metalik bir arkalığı olan bir grafitik karbon elektrot anot. enerji yoğunluğu nın-nin LiFePO
4 bundan daha düşük lityum kobalt oksit (LiCoO
2) kimya ve ayrıca daha düşük bir çalışma voltajına sahiptir. Ana dezavantajı LiFePO
4 elektrik iletkenliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle, tüm LiFePO
4 dikkate alınan katotlar aslında LiFePO
4/ C.[5] Düşük maliyet, düşük toksisite, iyi tanımlanmış performans, uzun vadeli kararlılık vb. LiFePO
4 araç kullanımında, kamu hizmeti ölçeğinde sabit uygulamalarda ve yedek güçte bir dizi rol bulmaktır.[kaynak belirtilmeli ]

Tarih

Ana makale: lityum demir fosfat

LiFePO
4 doğal bir mineraldir olivin aile (trihylit ). Arumugam Manthiram ve John B. Goodenough ilk önce katot malzemelerinin polianyon sınıfını belirledi lityum iyon piller.[6][7][8] LiFePO
4 1996 yılında Padhi ve diğerleri tarafından pillerde kullanılmak üzere polianyon sınıfına ait bir katot malzemesi olarak tanımlanmıştır.[9][10] Geri dönüşümlü lityum ekstraksiyonu LiFePO
4 ve lityumun yerleştirilmesi FePO
4 gösterildi. Düşük maliyeti, toksik olmaması, doğal bolluğu nedeniyle Demir, mükemmel termal kararlılığı, güvenlik özellikleri, elektrokimyasal performansı ve spesifik kapasitesi (170mA · h /g veya 610C /g ) önemli ölçüde piyasa kabulü kazanmıştır.[11][12]

Ticarileştirmenin önündeki başlıca engel, özünde düşüktü elektiriksel iletkenlik. Bu problem, partikül boyutunu küçülterek, LiFePO
4 gibi iletken malzemeli parçacıklar karbon nanotüpler,[13][14] ya da her ikisi de. Bu yaklaşım, Michel Armand ve iş arkadaşları.[15] Tarafından başka bir yaklaşım Henüz Ming Chiang grubu şunlardan oluşuyordu: doping[11] LFP ile katyonlar gibi malzemelerin alüminyum, niyobyum, ve zirkonyum.

MIT, iyonların batarya içinde daha kolay hareket etmesini sağlayan yeni bir kaplama sundu. "Beltway Battery", lityum iyonlarının bir pili bir dakikadan kısa sürede tam olarak şarj edecek kadar büyük bir hızda elektrotlara girip çıkmasına izin veren bir baypas sistemi kullanır. Bilim adamları, lityum demir fosfat parçacıklarını lityum adı verilen camsı bir malzemede kaplayarak keşfettiler. pirofosfat iyonlar kanalları atlar ve diğer pillerden daha hızlı hareket eder. Şarj edilebilir piller, yüklü atomlar (iyonlar) iki elektrot, anot ve katot arasında hareket ederken enerjiyi depolar ve boşaltır. Şarj ve deşarj hızları, bu iyonların hareket etme hızıyla sınırlıdır. Bu tür bir teknoloji, pillerin ağırlığını ve boyutunu azaltabilir. Standart pil hücreleri için altı dakikaya kıyasla 10 ila 20 saniyede tam olarak şarj olabilen küçük bir prototip pil hücresi geliştirildi.[16]

Petrol kokundan yapılan negatif elektrotlar (anot, deşarjda) erken lityum iyon pillerde kullanıldı; sonraki tipler doğal veya sentetik grafit kullandı.[17]

Avantajlar ve dezavantajlar

LiFePO
4 pil, lityum iyon türevi bir kimya kullanır ve diğer lityum iyon pil kimyaları ile birçok avantajı ve dezavantajı paylaşır. Ancak önemli farklılıklar vardır.

LFP ne nikel içermez[18] ne de kobalt, her ikisi de arz kısıtlı ve pahalıdır.

LFP kimyası, diğer lityum iyon yaklaşımlarından daha uzun bir çevrim ömrü sunar.[19]

Nikel bazlı şarj edilebilir piller gibi (ve diğer lityum iyon pillerin aksine),[20] LiFePO
4 piller çok sabit bir deşarj voltajına sahiptir. Deşarj sırasında hücre tükenene kadar voltaj 3,2 V'a yakın kalır. Bu, hücrenin deşarj olana kadar neredeyse tam güç sağlamasına izin verir ve voltaj düzenleme devresi ihtiyacını büyük ölçüde basitleştirebilir veya hatta ortadan kaldırabilir.[kaynak belirtilmeli ]

Nominal 3,2 V çıkış nedeniyle, 12,8 V nominal gerilim için dört hücre seri olarak yerleştirilebilir. Bu, altı hücreli nominal gerilimine yaklaşır. kurşun asit piller. LFP akülerinin iyi güvenlik özelliklerinin yanı sıra, bu, şarj sistemlerinin LFP hücrelerine aşırı şarj voltajlarıyla (3.6'nın ötesinde şarj altındayken hücre başına DC volt), sıcaklığa dayalı voltaj kompanzasyonu, eşitleme girişimleri veya sürekli yavaş şarj. LFP hücreleri, paket monte edilmeden önce en azından başlangıçta dengelenmelidir ve hiçbir hücrenin 2,5 V voltajın altında deşarj olamayacağından emin olmak için bir koruma sistemi de uygulanmalıdır, aksi takdirde çoğu durumda ciddi hasar meydana gelir.[kaynak belirtilmeli ]

Fosfatların kullanımı, kobaltın maliyetini ve çevresel kaygıları, özellikle kobaltın uygun olmayan şekilde bertaraf edilerek çevreye girmesiyle ilgili endişeleri önler.[19]

LiFePO
4 daha yüksek akım veya tepe güç değerlerine sahiptir lityum kobalt oksit LiCoO
2.[21]

enerji yoğunluğu (enerji / hacim) yeni bir LFP pilinin pilinden yaklaşık% 14 daha düşüktür. LiCoO
2 pil.[22] Ayrıca, birçok LFP markası ve belirli bir LFP akü markasındaki hücreler, kurşun asit veya LiCoO
2.[kaynak belirtilmeli ] Deşarj oranı, pil kapasitesinin bir yüzdesi olduğundan, daha büyük bir pil kullanılarak daha yüksek bir hız elde edilebilir (daha fazla amper saat ) düşük akımlı pillerin kullanılması gerekiyorsa. Daha da iyisi, yüksek akımlı bir LFP hücresi (bir kurşun asit veya kurşun asitten daha yüksek deşarj oranına sahip olacaktır). LiCoO
2 aynı kapasitede pil) kullanılabilir.

LiFePO
4 hücreler, lityum iyon pil kimyalarına göre daha yavaş bir kapasite kaybı oranı (diğer bir deyişle daha uzun takvim ömrü) yaşar. LiCoO
2 kobalt veya LiMn
2Ö
4 manganezli spinel lityum iyon polimer piller (LiPo pil) veya lityum iyon piller.[23] Rafta bir yıl geçirdikten sonra LiFePO
4 hücre tipik olarak yaklaşık olarak aynı enerji yoğunluğuna sahiptir. LiCoO
2 LFP'nin enerji yoğunluğundaki daha yavaş düşüşü nedeniyle Li-ion hücre.[kaynak belirtilmeli ]

Emniyet

Diğer lityum iyon kimyasallarına göre önemli bir avantaj, pil güvenliğini artıran termal ve kimyasal stabilitedir.[19] LiFePO
4 kendinden daha güvenli bir katot malzemesidir. LiCoO
2 ve manganez spineli, ihmal edilerek kobalt, negatifiyle sıcaklık katsayısı cesaretlendirebilecek direniş termal kaçak. P –Ö bağ (PO
4)3−
 iyon daha güçlüdür Co –Ö bağ (CoO
2)−
 iyon, böylece kötüye kullanıldığında (kısa devre, aşırı ısınma vb.), oksijen atomları daha yavaş salınır. Redoks enerjilerinin bu stabilizasyonu aynı zamanda daha hızlı iyon göçünü de destekler.[20]

Lityum katottan dışarı çıkarken LiCoO
2 hücre CoO
2 hücrenin yapısal bütünlüğünü etkileyen doğrusal olmayan genişlemeye uğrar. Tamamen aydınlatılmış ve aydınlatılmamış durumları LiFePO
4 yapısal olarak benzerdir, yani LiFePO
4 hücreler, yapısal olarak daha kararlıdır LiCoO
2 hücreler.[kaynak belirtilmeli ]

Tam şarjlı bir katotta lityum kalmaz LiFePO
4 hücre. (İçinde LiCoO
2 hücre, yaklaşık% 50'si kalır.) LiFePO
4 oksijen kaybı sırasında oldukça esnektir, bu da tipik olarak diğer lityum hücrelerde ekzotermik reaksiyona neden olur.[12] Sonuç olarak, LiFePO
4 yanlış kullanım durumunda (özellikle şarj sırasında) hücrelerin tutuşması daha zordur. LiFePO
4 pil yüksek sıcaklıklarda ayrışmaz.[19]

Teknik Özellikler

Birden çok Lityum Demir Fosfat hücresi seri ve paralel 2800Ah 52V pil oluşturmak için. Toplam pil kapasitesi 145,6 kWh'dir. Büyük, sağlam kalaylı bakır bara hücreleri birbirine bağlamak. Bu bara, 48 Volt DC sistemde üretilen yüksek akımları barındırmak için 700 Amper DC olarak derecelendirilmiştir.
Lityum Demir Fosfat LiFePO4 Hücreleri, her biri 700 Ah Amp Saat 3,25 Volt. 4,55 kWh kapasiteli tek bir 3,25V 1400Ah pil oluşturmak için iki hücre paralel olarak bağlanmıştır.
  • Hücre voltajı
    • Minimum deşarj voltajı = 2,5 V[24]
    • Çalışma voltajı = 3.0 ~ 3.2 V
    • Maksimum şarj voltajı = 3,65 V[25]
  • Volumetrik enerji yoğunluğu = 220 Wh /L (790 kJ / L)
  • Gravimetrik enerji yoğunluğu> 90 Wh / kg[26] (> 320 J / g). 160 Wh / kg'a kadar[1] (580 J / g).
  • 100% DOD döngü ömrü (orijinal kapasitenin% 80'ine kadar döngü sayısı) = 2.000–7.000[27]
  • 10% DOD çevrim ömrü (orijinal kapasitenin% 80'ine kadar çevrim sayısı)> 10.000[28]
  • Katot bileşimi (ağırlık)
  • Hücre konfigürasyonu
  • Deneysel durumlar:
    • Oda sıcaklığı
    • Voltaj sınırları: 2.0–3.65 V
    • Şarj: 3.6 V'a kadar C / 1 oranına kadar, ardından I
  • Bir üreticiye göre, elektrikli bir arabadaki lityum demir fosfat piller, hızlı şarj istasyonunda 15 dakika içinde% 80'e ve 40 dakika içinde% 100'e kadar şarj edilebilir.[29]

Kullanımlar

Ulaşım

Hızlanma, daha düşük ağırlık ve daha uzun ömür için gereken daha yüksek deşarj oranları, bu akü tipini forkliftler, bisikletler ve elektrikli arabalar için ideal kılar. 12V LiFePO4 piller ayrıca bir karavan, karavan veya tekne için ikinci (ev) bir pil olarak popülerlik kazanıyor.

Güneş enerjili aydınlatma sistemleri

Tek "14500" (AA pil -Boyutlu) LFP hücreleri artık bazı güneş enerjili peyzaj aydınlatması 1,2 V yerine NiCd /NiMH.[kaynak belirtilmeli ]

LFP'nin daha yüksek (3,2 V) çalışma voltajı, voltajı yükseltmek için tek bir hücrenin devresiz bir LED'i sürmesine izin verir. Orta düzeyde aşırı şarja karşı artan toleransı (diğer Li hücre türlerine kıyasla), LiFePO
4 yeniden şarj döngüsünü durdurmak için devre olmadan fotovoltaik hücrelere bağlanabilir. Tek bir LFP hücresinden bir LED'i kullanma yeteneği, aynı zamanda pil tutucuları ve dolayısıyla birden fazla çıkarılabilir şarj edilebilir pil kullanan ürünlerle ilişkili korozyon, yoğuşma ve kir sorunlarını ortadan kaldırır.[kaynak belirtilmeli ]

2013 yılına gelindiğinde, daha iyi güneş enerjili pasif kızılötesi güvenlik lambaları ortaya çıktı.[30] AA boyutlu LFP hücreleri yalnızca 600 mAh kapasiteye sahip olduğundan (lambanın parlak LED'i 60 mA çekebilir), üniteler en fazla 10 saat parlar. Bununla birlikte, eğer tetikleme sadece ara sıra ise, lamba elektroniği 1 mA'nın altındaki karanlık sonrası "boşta" akımları sağladığından, bu tür üniteler düşük güneş ışığında bile şarj edilebilir.[kaynak belirtilmeli ]

Diğer kullanımlar

Birçok ev EV dönüşümü, otomobilin çekiş paketi olarak geniş format versiyonlarını kullanır. Avantajlı güç-ağırlık oranları, yüksek güvenlik özellikleri ve kimyanın ısıl kaçağa karşı direnci ile amatör ev "yapımcıları" tarafından kullanım için çok az engel vardır. Karavanlar genellikle yüksek çekme nedeniyle lityum demir fosfata dönüştürülür.

Biraz elektronik sigara bu tür pilleri kullanın. Diğer uygulamalar arasında el fenerleri, radyo kontrollü modeller, taşınabilir motorlu ekipman, amatör radyo ekipmanı, endüstriyel sensör sistemleri[31] ve acil durum aydınlatması.[32]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c "Büyük Güç Grubu, Kare lityum iyon pil". Alındı 2019-12-31.
  2. ^ "12,8 Volt Lityum-Demir-Fosfat Piller" (PDF). VictronEnergy.nl. Arşivlenen orijinal (PDF) 2016-09-21 tarihinde. Alındı 2016-04-20.
  3. ^ "Lityum Demir Fosfat Pil Tedarikçileri ve Üreticileri". Alibaba.com. Arşivlendi 2014-06-09 tarihinde orjinalinden.
  4. ^ "CATL, ESS için Avrupa ve ABD-CATL'ye 'çoklu gigawatt-saat ölçeğinde' LFP pilleri sunmak istiyor". catlbattery.com. Çağdaş Amperex Technology Co. Limited (CATL). Alındı 3 Ekim 2020.
  5. ^ Eftekhari, Ali (2017). "LiFePO
    4    / C Lityum İyon Piller için Nanokompozitler ". Güç Kaynakları Dergisi. 343: 395–411. Bibcode:2017JPS ... 343..395E. doi:10.1016 / j.jpowsour.2017.01.080.
  6. ^ Masquelier, Christian; Croguennec Laurence (2013). "Yeniden Şarj Edilebilir Li (veya Na) Piller için Elektrot Malzemeleri olarak Polianyonik (Fosfatlar, Silikatlar, Sülfatlar) Çerçeveler". Kimyasal İncelemeler. 113 (8): 6552–6591. doi:10.1021 / cr3001862. PMID  23742145.
  7. ^ Manthiram, A .; Goodenough, J. B. (1989). "Fe'ye lityum ekleme2(YANİ4)3 çerçeveler ". Güç Kaynakları Dergisi. 26 (3–4): 403–408. Bibcode:1989JPS .... 26..403M. doi:10.1016/0378-7753(89)80153-3.
  8. ^ Manthiram, A .; Goodenough, J. B. (1987). "Fe'ye lityum ekleme2(MO4)3 çerçeveler: M = W ile M = Mo "karşılaştırması. Katı Hal Kimyası Dergisi. 71 (2): 349–360. doi:10.1016/0022-4596(87)90242-8.
  9. ^ "LiFePO
    4    : Yeniden Şarj Edilebilir Piller için Yeni Bir Katot Malzemesi ", A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, Electrochemical Society Meeting Abstracts, 96-1, Mayıs, 1996, s. 73
  10. ^ "Yeniden Şarj Edilebilir Lityum Piller için Pozitif Elektrot Malzemeleri Olarak Fosfo-olivinler" A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy ve J. B. Goodenough, J. Electrochem. Soc., Cilt 144, Sayı 4, s. 1188-1194 (Nisan 1997)
  11. ^ a b Gorman, Jessica (28 Eylül 2002). "Daha Büyük, Daha Ucuz, Daha Güvenli Piller: Yeni malzeme lityum iyon pil çalışmasını şarj eder". Bilim Haberleri. Cilt 162 hayır. 13. s. 196. Arşivlenen orijinal 2008-04-13 tarihinde.
  12. ^ a b "Daha güvenli Li iyon piller oluşturma". houseofbatteries.com. Arşivlendi 2011-01-31 tarihinde orjinalinden.
  13. ^ Susantyoko, Rahmat Agung; Karam, Zainab; Alkhoori, Sara; Mustafa, İbrahim; Wu, Chieh-Han; Almheiri, Saif (2017). "Bağımsız karbon nanotüp tabakalarının ticarileştirilmesine yönelik bir yüzey mühendisliği bant döküm üretim tekniği". Malzeme Kimyası A Dergisi. 5 (36): 19255–19266. doi:10.1039 / c7ta04999d. ISSN  2050-7488.
  14. ^ Susantyoko, Rahmat Agung; Alkindi, Tawaddod Saif; Kanagaraj, Amarsingh Bhabu; An, Boohyun; Alshibli, Hamda; Choi, Daniel; AlDahmani, Sultan; Fadaq, Hamed; Almheiri, Saif (2018). "Lityum iyon pillerin gelişmiş spesifik kapasitesi için katot olarak bağımsız MWCNT-LiFePO₄ tabakalarının performans optimizasyonu". RSC Gelişmeleri. 8 (30): 16566–16573. doi:10.1039 / c8ra01461b. ISSN  2046-2069.
  15. ^ Armand, Michel; Goodenough, John B .; Padhi, Akshaya K .; Nanjundaswam, Kirakodu S .; Masquelier, Christian (4 Şub 2003), İkincil (şarj edilebilir) lityum piller için katot malzemeleri, arşivlendi 2016-04-02 tarihinde orjinalinden, alındı 2016-02-25
  16. ^ "Saniyeler İçinde Yeni Pil Teknolojisi Şarjları". Alternatif Enerji Haberleri. 18 Mart 2009. Arşivlendi 2012-08-02 tarihinde orjinalinden.
  17. ^ David Linden (ed.), Pillerin El Kitabı 3. BaskıMcRaw Hill 2002, ISBN  0-07-135978-8, sayfa 35-16 ve 35-17
  18. ^ https://www.nickelinstitute.org/media/1987/nickel_battery_infographic-final2.pdf
  19. ^ a b c d "Şarj Edilebilir Lityum Piller". Electropaedia - Pil ve Enerji Teknolojileri. Arşivlendi 2011-07-14 tarihinde orjinalinden.
  20. ^ a b "Lityum İyon piller | Lityum Polimer | Lityum Demir Fosfat". Harding Enerji. Arşivlendi 2016-03-29 tarihinde orjinalinden. Alındı 2016-04-06.
  21. ^ Hadhazy Adam (2009-03-11). "Daha İyi Bir Pil mi? Lityum İyon Hücresi Aşırı Yüklenir". Bilimsel amerikalı. Arşivlendi 2013-10-23 tarihinde orjinalinden.
  22. ^ Guo, Yu-Guo; Hu, Jin-Song; Wan, Li-Haziran (2008). "Elektrokimyasal Enerji Dönüşümü ve Depolama Cihazları için Nanoyapılı Malzemeler". Gelişmiş Malzemeler. 20 (15): 2878–2887. doi:10.1002 / adma.200800627.
  23. ^ "ANR26650M1". A123Sistemler. 2006. Arşivlenen orijinal 2012-03-01 tarihinde. ... Mükemmel takvim ömrünü öngören mevcut test:% 17 empedans büyümesi ve% 23 kapasite kaybı 15 [on beş!] yılda% 100 SOC, 60 derece. C ...
  24. ^ "Hücre - CA Serisi". CALB.cn. Arşivlenen orijinal 2014-10-09 tarihinde.
  25. ^ "LiFePO4 Pil". www.evlithium.com. Alındı 2020-09-24.
  26. ^ "Geniş Format, Lityum Demir Fosfat". JCWinnie.biz. 2008-02-23. Arşivlenen orijinal 2008-11-18 tarihinde. Alındı 2012-04-24.
  27. ^ "Lityum demir fosfat (LiFePO4) pilin özellikleri". smart-solar-lights.com. Nomo Group Co. 14 Temmuz 2017.
  28. ^ GWL-Gücü: Winston 90Ah, 10.000 / 13.000 döngü üzerinde Arşivlendi 2013-10-04 de Wayback Makinesi, PDF, 21. Şubat 2012.
  29. ^ byd-auto.net Arşivlendi 2016-02-06 at Wayback Makinesi BYD'nin web sitesi: 40 (dak.) / 15 (min.% 80)
  30. ^ [1]
  31. ^ "IECEx Sistemi". iecex.iec.ch. Alındı 2018-08-26.
  32. ^ "EM ready2apply BASIC 1 - 2 W". Tridonik. Alındı 23 Ekim 2018.