بطارية فوسفات الحديد الليثيوم هي بطارية ليثيوم أيون تستخدم فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) كمادة القطب الموجب والكربون كمادة القطب السالب.
أثناء عملية الشحن ، يتم استخراج بعض أيونات الليثيوم في فوسفات الحديد الليثيوم ، ونقلها إلى القطب السالب من خلال الإلكتروليت ، وإدخالها في مادة الكربون ذات القطب السالب ؛ في الوقت نفسه ، يتم إطلاق الإلكترونات من القطب الموجب وتصل إلى القطب السالب من الدائرة الخارجية للحفاظ على توازن التفاعل الكيميائي. أثناء عملية التفريغ ، تخرج أيونات الليثيوم من القطب السالب وتصل إلى القطب الموجب عبر الإلكتروليت. في الوقت نفسه ، يطلق القطب السالب الإلكترونات ويصل إلى القطب الموجب من الدائرة الخارجية لتوفير الطاقة للعالم الخارجي.
الاسم الصيني: 磷酸 铁 锂 电池
الاسم الأجنبي: بطارية ليثيوم فوسفات الحديد
الاختصار: LIFEPO4
القطب الموجب: ليثيوم فوسفات الحديد
القطب السالب: الكربون (الجرافيت)
الفولطية المقدرة: 3.2V الشحن
قطع التيار الكهربائي: 3.6V ~ 3.65V
المزايا: جهد عمل عالٍ ، كثافة طاقة عالية ، دورة حياة طويلة ، أداء أمان جيد ، معدل تفريغ ذاتي منخفض ، لا يوجد تأثير للذاكرة
مقدمة لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد
في التركيب البلوري لـ LiFePO4 ، يتم ترتيب ذرات الأكسجين في ترتيب سداسي الشكل ومعبأ.
يشكل كل من PO43-tetrahedra و FeO6 octahedra الهيكل المكاني للبلورة ، يحتل Li و Fe الفراغات الاوكتاهدرا ، بينما يحتل P الفراغات رباعية السطوح ، حيث يحتل Fe مواقع تقاسم الزاوية في ثماني الأوجه ويحتل Li مواقع تقاسم الحافة من ثماني الأوجه. ترتبط FeO6 octahedra ببعضها البعض على مستوى bc من البلورة ، وترتبط هياكل LiO6 ثماني السطوح في اتجاه المحور b ببعضها البعض في بنية تشبه السلسلة. يشترك 1 FeO6 ثماني السطوح في الحواف مع 2 LiO6 ثماني السطوح و 1 PO43-رباعي السطوح.
بسبب انقطاع شبكة FeO6 ذات الحواف الثمانية السطوح ، لا يمكن تشكيل التوصيل الإلكتروني ؛ في الوقت نفسه ، يحد PO43-tetrahedron من تغيير حجم الشبكة ، مما يؤثر على إزالة التداخل وانتشار الإلكترون لـ Li + ، مما يؤدي إلى التوصيل الإلكتروني وانتشار الأيونات لمواد الكاثود LiFePO4. غير فعال للغاية.
السعة النظرية المحددة لبطارية LiFePO4 عالية (حوالي 170 مللي أمبير / جرام) ، ومنصة التفريغ 3.4 فولت. يتم فصل Li + ذهابًا وإيابًا بين الأقطاب الموجبة والسالبة لتحقيق الشحن والتفريغ. أثناء الشحن ، يحدث تفاعل أكسدة ، يهاجر Li + من القطب الموجب ، ويتم تضمينه في القطب السالب من خلال الإلكتروليت. يتغير الحديد من Fe2 + إلى Fe3 + ويحدث تفاعل أكسدة.
الخصائص الهيكلية لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم
الجانب الأيسر من بطارية فوسفات الحديد الليثيوم عبارة عن قطب كهربائي موجب يتكون من مادة LiFePO4 ذات هيكل الزبرجد الزيتوني ، والتي يتم توصيلها بالإلكترود الموجب للبطارية بواسطة رقائق الألومنيوم. على اليمين يوجد القطب السالب للبطارية المكون من الكربون (الجرافيت) ، وهو متصل بالقطب السالب للبطارية بواسطة رقاقة نحاسية. يوجد في المنتصف فاصل بوليمر ، يفصل بين الأقطاب الموجبة والسالبة ، والتي يمكن لأيونات الليثيوم أن تمر من خلالها لكن الإلكترونات لا تستطيع ذلك. يتم ملء الجزء الداخلي من البطارية بالكهرباء ، ويتم إغلاق البطارية بإحكام بواسطة غلاف معدني.
يتم إجراء تفاعل الشحن والتفريغ لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم بين مرحلتي LiFePO4 و FePO4. أثناء عملية الشحن ، يتم فصل LiFePO4 تدريجيًا عن أيونات الليثيوم لتكوين FePO4 ، وأثناء عملية التفريغ ، يتم تقطيع أيونات الليثيوم إلى FePO4 لتشكيل LiFePO4.
مبدأ الشحن والتفريغ لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد
عندما يتم شحن البطارية ، تهاجر أيونات الليثيوم من بلورة فوسفات الحديد الليثيوم إلى السطح البلوري ، وتدخل الإلكتروليت تحت تأثير قوة المجال الكهربائي ، ثم تمر عبر الفاصل ، ثم تهاجر إلى سطح بلورة الجرافيت عبر المنحل بالكهرباء ، ثم تضمينه في شعرية الجرافيت.
في الوقت نفسه ، تتدفق الإلكترونات إلى مجمع رقائق الألومنيوم للقطب الموجب عبر الموصل ، وتتدفق إلى مجمع رقائق النحاس للقطب السالب للبطارية من خلال علامة التبويب ، والقطب الموجب للبطارية ، والدائرة الخارجية ، والقطب الموجب للبطارية القطب السالب والقطب السالب ، ثم يتدفق إلى القطب السالب للجرافيت عبر الموصل. ، بحيث تصل شحنة القطب السالب إلى توازن. بعد إزالة أيونات الليثيوم من فوسفات الحديد الليثيوم ، يتم تحويل فوسفات الحديد الليثيوم إلى فوسفات الحديد.
عندما يتم تفريغ البطارية ، يتم فصل أيونات الليثيوم عن بلورة الجرافيت ، وتدخل في الإلكتروليت ، ثم تمر عبر الفاصل ، وتهاجر إلى سطح بلورة فوسفات الحديد الليثيوم عبر الإلكتروليت ، ثم إعادة إدخالها في شبكة فوسفات الحديد الليثيوم.
في الوقت نفسه ، تتدفق الإلكترونات إلى مجمع رقائق النحاس للقطب السالب عبر الموصل ، وتتدفق إلى مجمع رقائق الألومنيوم للإلكترود الموجب للبطارية من خلال علامة التبويب ، القطب السالب للبطارية ، الدائرة الخارجية ، القطب الموجب والقطب الموجب ، ثم يتدفقان إلى فوسفات الحديد من خلال الموصل. يوازن قطب الليثيوم الموجب شحنة القطب الموجب. بعد أن يتم إقحام أيونات الليثيوم في بلورة فوسفات الحديد ، يتم تحويل فوسفات الحديد إلى فوسفات حديد الليثيوم.
ميزات بطارية LiFePO4
كثافة طاقة أعلى
وفقًا للتقارير ، تبلغ كثافة الطاقة لبطارية فوسفات الحديد والليثيوم المصنوعة من الألومنيوم المربعة التي تم إنتاجها في عام 2018 حوالي 160 واط / كجم. في عام 2019 ، يمكن لبعض الشركات المصنعة للبطاريات الممتازة تحقيق مستوى 175-180 واط في الساعة / كجم. تقنية الرقاقة وقدرتها مصنوعة بشكل أكبر ، أو يمكن تحقيق 185 واط في الساعة / كجم.
أداء سلامة جيد
يعد الأداء الكهروكيميائي لمادة الكاثود لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم مستقرًا نسبيًا ، مما يحدد أن لديها منصة شحن وتفريغ مستقرة. لذلك لن يتغير هيكل البطارية أثناء عملية الشحن والتفريغ ولن تحترق وتنفجر. لا يزال آمنًا جدًا في ظل ظروف خاصة مثل الشحن والضغط والوخز بالإبر.
دورة حياة طويلة
يصل عمر دورة 1C لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بشكل عام إلى 2,000 مرة ، أو حتى أكثر من 3,500 مرة ، بينما يتطلب سوق تخزين الطاقة أكثر من 4,000 إلى 5,000 مرة ، مما يضمن عمر خدمة يتراوح من 8 إلى 10 سنوات ، وهو أعلى من 1,000 دورة البطاريات الثلاثية. تبلغ دورة حياة بطاريات الرصاص الحمضية ذات العمر الطويل حوالي 300 مرة.
توليف LiFePO4
تم إتقان عملية تصنيع فوسفات حديد الليثيوم بشكل أساسي ، وهي مقسمة بشكل أساسي إلى طريقة المرحلة الصلبة وطريقة المرحلة السائلة. من بينها ، طريقة تفاعل المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية هي الأكثر استخدامًا ، ويجمع بعض الباحثين بين طريقة تخليق الميكروويف في طريقة المرحلة الصلبة وطريقة التوليف الحراري المائي في طريقة المرحلة السائلة - طريقة الميكروويف الحرارية المائية.
بالإضافة إلى ذلك ، تشمل طرق تخليق فوسفات حديد الليثيوم أيضًا طريقة الكترونية ، وطريقة تبريد التجفيف ، وطريقة تجفيف الاستحلاب ، وطريقة ترسيب الليزر النبضي ، وما إلى ذلك. عن طريق اختيار طرق مختلفة ، يمكن لتوليف المنتجات ذات حجم الجسيمات الصغيرة وأداء التشتت الجيد تقصير الانتشار بشكل فعال مسار Li + ، تزداد منطقة التلامس بين المرحلتين ، ويزداد معدل انتشار Li +.
التطبيق الصناعي لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد
تطبيق صناعة مركبات الطاقة الجديدة
تقترح "خطة تطوير صناعة سيارات الطاقة الجديدة الموفرة للطاقة" في الصين أن "الهدف العام لتطوير سيارات الطاقة الجديدة هو: بحلول عام 2020 ، سيصل الإنتاج التراكمي ومبيعات سيارات الطاقة الجديدة إلى 5 ملايين وحدة ، ومقياس الطاقة- ستكون صناعة سيارات التوفير والطاقة الجديدة في طليعة العالم ". . تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم على نطاق واسع في سيارات الركاب ، وسيارات الركاب ، والمركبات اللوجستية ، والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة ، وما إلى ذلك نظرًا لمزاياها المتمثلة في السلامة الجيدة والتكلفة المنخفضة. تحتل البطاريات الثلاثية ، التي تتأثر بالسياسة ، موقعًا مهيمنًا مع ميزة كثافة الطاقة ، لكن بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم لا تزال تحتل مزايا لا يمكن الاستغناء عنها في سيارات الركاب والمركبات اللوجستية وغيرها من المجالات. في مجال سيارات الركاب ، شكلت بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم حوالي 76٪ ، 81٪ ، 78٪ من الدُفعات الخامسة والسادسة والسابعة من "كتالوج النماذج الموصى بها لترويج مركبات الطاقة الجديدة وتطبيقها" (يشار إليه فيما يلي باسم يشار إليه باسم "الكتالوج") في 5.٪ ، لا يزال يحافظ على التيار الرئيسي. في مجال المركبات الخاصة ، شكلت بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم حوالي 6٪ و 7٪ و 2018٪ من الدُفعات الخامسة والسادسة والسابعة من "الكتالوج" في عام 30 ، على التوالي ، وزادت نسبة التطبيقات تدريجياً .
يعتقد يانغ يوشينغ ، الأكاديمي في الأكاديمية الصينية للهندسة ، أن استخدام بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم في سوق المركبات الكهربائية طويلة المدى لا يمكن أن يحسن سلامة المركبات فحسب ، بل يدعم أيضًا تسويق المركبات الكهربائية واسعة النطاق ، القضاء على الأميال التي تقطعها المركبات الكهربائية النقية وسلامتها وسعرها وتكلفتها. قلق بشأن الشحن ، ومشكلات البطارية اللاحقة ، وما إلى ذلك. خلال الفترة من 2007 إلى 2013 ، أطلقت العديد من شركات السيارات مشاريع للسيارات الكهربائية النقية طويلة المدى.
بدء التطبيق على السلطة
بالإضافة إلى خصائص بطاريات الليثيوم ، فإن بطارية فوسفات الحديد الليثيوم لديها أيضًا القدرة على إخراج طاقة عالية على الفور. يتم استبدال بطارية الرصاص الحمضية التقليدية ببطارية ليثيوم ذات طاقة أقل من كيلو وات ساعة ، ويتم استبدال محرك بدء التشغيل التقليدي والمولد بمحرك BSG. ، لا يقتصر الأمر على وظيفة إيقاف التشغيل في وضع الخمول فحسب ، بل له أيضًا وظائف إيقاف تشغيل المحرك والانحراف ، واستعادة الطاقة في السواحل والفرملة ، وتعزيز التسارع ، والرحلة الكهربائية.
تطبيقات في سوق تخزين الطاقة
تتميز بطارية LiFePO4 بسلسلة من المزايا الفريدة مثل جهد العمل العالي وكثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويل ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض وعدم وجود تأثير للذاكرة وحماية البيئة الخضراء وما إلى ذلك ، وتدعم التوسع غير المتدرج ، ومناسبة للكهرباء على نطاق واسع تخزين الطاقة ، في محطات الطاقة المتجددة لديها آفاق جيدة للتطبيق في مجالات الاتصال الشبكي الآمن لتوليد الطاقة ، وتنظيم ذروة شبكة الطاقة ، ومحطات الطاقة الموزعة ، وإمدادات الطاقة UPS ، وأنظمة الإمداد بالطاقة في حالات الطوارئ.
وفقًا لأحدث تقرير تخزين الطاقة الصادر مؤخرًا عن GTM Research ، وهي منظمة دولية لأبحاث السوق ، فإن تطبيق مشاريع تخزين الطاقة على جانب الشبكة في الصين في عام 2018 استمر في زيادة استهلاك بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم.
مع صعود سوق تخزين الطاقة ، في السنوات الأخيرة ، قامت بعض شركات بطاريات الطاقة بنشر أعمال تخزين الطاقة لفتح أسواق تطبيقات جديدة لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم. من ناحية أخرى ، نظرًا لخصائص العمر الطويل للغاية والاستخدام الآمن والسعة الكبيرة وحماية البيئة الخضراء ، يمكن نقل فوسفات حديد الليثيوم إلى مجال تخزين الطاقة ، مما سيؤدي إلى تمديد سلسلة القيمة وتعزيز إنشاء نموذج عمل جديد. من ناحية أخرى ، أصبح نظام تخزين الطاقة الذي يدعم بطارية فوسفات الحديد الليثيوم هو الخيار السائد في السوق. وفقًا للتقارير ، تمت تجربة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم لاستخدامها في الحافلات الكهربائية والشاحنات الكهربائية وتنظيم التردد من جانب المستخدم والجانب الشبكي.
1. اتصال شبكي آمن لتوليد طاقة الطاقة المتجددة مثل توليد طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية. تحدد العشوائية والتقطع والتقلب المتأصل في توليد طاقة الرياح أن تطويرها على نطاق واسع سيكون له حتماً تأثير كبير على التشغيل الآمن لنظام الطاقة. مع التطور السريع لصناعة طاقة الرياح ، لا سيما معظم مزارع الرياح في بلدي هي "تنمية مركزية واسعة النطاق ونقل لمسافات طويلة" ، فإن توليد الطاقة المتصلة بالشبكة لمزارع الرياح واسعة النطاق يفرض تحديات شديدة أمام تشغيل والتحكم في شبكات الكهرباء الكبيرة.
يتأثر توليد الطاقة الكهروضوئية بدرجة الحرارة المحيطة وشدة ضوء الشمس والظروف الجوية ، ويعرض توليد الطاقة الكهروضوئية خصائص التقلبات العشوائية. يقدم بلدي اتجاهًا إنمائيًا يتمثل في "التنمية اللامركزية ، والوصول إلى الموقع للجهد المنخفض" و "التنمية على نطاق واسع ، والوصول للجهد المتوسط والعالي" ، مما يطرح متطلبات أعلى لتنظيم ذروة شبكة الطاقة والتشغيل الآمن لأنظمة الطاقة.
لذلك ، أصبحت منتجات تخزين الطاقة ذات السعة الكبيرة عاملاً رئيسياً في حل التناقض بين الشبكة وتوليد الطاقة المتجددة. يتميز نظام تخزين طاقة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم بخصائص التحويل السريع لظروف العمل ، ووضع التشغيل المرن ، والكفاءة العالية ، والسلامة وحماية البيئة ، وقابلية التوسع القوية. مشكلة التحكم في الجهد المحلي ، وتحسين موثوقية توليد الطاقة المتجددة وتحسين جودة الطاقة ، بحيث يمكن أن تصبح الطاقة المتجددة مصدر طاقة مستمرًا ومستقرًا. [2]
مع التوسع المستمر في السعة والنطاق ، والنضج المستمر للتكنولوجيا المتكاملة ، سيتم تخفيض تكلفة أنظمة تخزين الطاقة بشكل أكبر. بعد اختبارات السلامة والموثوقية طويلة المدى ، من المتوقع أن يتم استخدام أنظمة تخزين طاقة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم في الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية. لقد تم استخدامه على نطاق واسع في اتصال الشبكة الآمن لتوليد الطاقة وتحسين جودة الطاقة.
2. تنظيم ذروة شبكة الطاقة. كانت الوسيلة الرئيسية لتنظيم ذروة شبكة الطاقة دائمًا هي محطات طاقة التخزين التي يتم ضخها. نظرًا لأن محطة توليد الطاقة التي يتم ضخها وتخزينها تحتاج إلى بناء خزانين ، الخزان العلوي والسفلي ، وهما مقيّدان إلى حد كبير بالظروف الجغرافية ، فليس من السهل البناء في المنطقة السهلة ، والمساحة كبيرة وتكلفة الصيانة مرتفعة. استخدام نظام تخزين طاقة بطارية ليثيوم الحديد الفوسفات لاستبدال محطة طاقة التخزين التي يتم ضخها ، للتعامل مع الحمل الأقصى لشبكة الطاقة ، على سبيل المثال لا الحصر ، الظروف الجغرافية ، واختيار الموقع المجاني ، واستثمار أقل ، وإشغال أقل للأرض ، وتكلفة صيانة منخفضة ، سوف تلعب دورًا مهمًا في عملية تنظيم ذروة شبكة الطاقة.
3. محطة توليد الكهرباء الموزعة.
نظرًا لعيوب شبكة الطاقة الكبيرة نفسها ، من الصعب ضمان متطلبات الجودة والكفاءة والسلامة والموثوقية لإمدادات الطاقة. بالنسبة للوحدات والمؤسسات المهمة ، غالبًا ما تكون مصادر الطاقة المزدوجة أو حتى مصادر الطاقة المتعددة مطلوبة كاحتياطي وحماية. يمكن لنظام تخزين طاقة بطارية ليثيوم الحديد الفوسفات أن يقلل أو يتجنب انقطاع التيار الكهربائي الناجم عن أعطال شبكة الطاقة والعديد من الأحداث غير المتوقعة ، ويضمن إمدادات طاقة آمنة وموثوقة في المستشفيات والبنوك ومراكز القيادة والتحكم ومراكز معالجة البيانات وصناعات المواد الكيميائية والدقة الصناعات التحويلية. لعب دور هام.
4UPS امدادات الطاقة. أدى التطور المستمر والسريع للاقتصاد الصيني إلى تحقيق اللامركزية في احتياجات مستخدمي إمدادات الطاقة من UPS ، مما تسبب في استمرار الطلب على المزيد من الصناعات والمزيد من الشركات على إمدادات طاقة UPS.
بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية ، تتمتع بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بمزايا دورة الحياة الطويلة ، والسلامة والاستقرار ، وحماية البيئة الخضراء ، وانخفاض معدل التفريغ الذاتي. سوف تستخدم على نطاق واسع.
تطبيقات في مجالات أخرى
تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم أيضًا على نطاق واسع في المجال العسكري نظرًا لدورتها الجيدة ، والسلامة ، وأداء درجات الحرارة المنخفضة وغيرها من المزايا. في 10 أكتوبر 2018 ، ظهرت إحدى شركات البطاريات في شاندونغ بقوة في معرض تشينغداو الأول للإنجاز التكنولوجي للتكامل العسكري والمدني ، وعرضت منتجات عسكرية بما في ذلك بطاريات درجات الحرارة المنخفضة للغاية العسكرية -45 درجة.
نظام تخزين طاقة بطارية ليثيوم فوسفات الحديد
تتميز بطارية LiFePO4 بسلسلة من المزايا الفريدة مثل جهد العمل العالي ، وكثافة الطاقة العالية ، وعمر الدورة الطويل ، وحماية البيئة الخضراء ، وما إلى ذلك ، وتدعم التوسع غير المتدرج ، ويمكن استخدامها لتخزين الطاقة الكهربائية على نطاق واسع بعد تشكيل تخزين الطاقة النظام. يتكون نظام تخزين طاقة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم من حزمة بطارية فوسفات حديد الليثيوم ، ونظام إدارة البطارية (BMS) ، وجهاز محول (مقوم ، وعاكس) ، ونظام مراقبة مركزي ، ومحول.
في مرحلة الشحن ، يقوم مصدر الطاقة المتقطع أو شبكة الطاقة بشحن نظام تخزين الطاقة ، ويتم تصحيح التيار المتردد إلى تيار مباشر من خلال المعدل لشحن وحدة بطارية تخزين الطاقة وتخزين الطاقة ؛ في مرحلة التفريغ ، يتم تفريغ نظام تخزين الطاقة إلى شبكة الطاقة أو الحمل ، ووحدة بطارية تخزين الطاقة يتم تحويل طاقة التيار المستمر للعاكس إلى طاقة تيار متردد من خلال العاكس ، ويتم التحكم في خرج العاكس بواسطة نظام المراقبة المركزي ، والتي يمكن أن توفر خرج طاقة ثابتًا للشبكة أو الحمل.
استخدام Echelon لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد
بشكل عام ، لا تزال بطارية فوسفات الحديد الليثيوم للسيارات الكهربائية تحتوي على ما يقرب من 80 ٪ من السعة المتبقية ، ولا يزال هناك 20 ٪ من السعة من الحد الأدنى 60 ٪ من السعة الملغاة تمامًا ، والتي يمكن استخدامها في المناسبات ذات السعة الأقل متطلبات الطاقة من السيارات ، مثل السيارات الكهربائية منخفضة السرعة ، ومحطات الاتصالات الأساسية ، وما إلى ذلك ، لتحقيق الاستخدام المتسلسل لبطاريات النفايات. لا تزال بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم المسحوبة من السيارات ذات قيمة استخدام عالية. تكون عملية الاستخدام المتسلسل لبطارية الطاقة كما يلي: إعادة تدوير البطارية المتقاعدة للمؤسسات - التفكيك - الاختبار والتصنيف - الفرز حسب السعة - إعادة تنظيم وحدة البطارية. على مستوى إعداد البطارية ، يمكن أن تصل كثافة الطاقة المتبقية لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم إلى 60 ~ 90Wh / kg ، ويمكن أن يصل عمر إعادة التدوير إلى 400 ~ 1000 مرة. مع تحسين مستوى إعداد البطارية ، يمكن تحسين عمر إعادة التدوير بشكل أكبر. بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية ذات دورة الحياة 45Wh / kg ودورة الحياة بحوالي 500 مرة ، لا تزال بطاريات فوسفات حديد الليثيوم الفوسفاتية تتمتع بمزايا أداء. علاوة على ذلك ، فإن تكلفة نفايات بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم منخفضة ، فقط 4000 ~ 10000 يوان / طن ، وهي اقتصادية للغاية.
خصائص إعادة تدوير بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
نمو سريع وخردة كبيرة
منذ تطوير صناعة السيارات الكهربائية ، أصبحت الصين أكبر سوق استهلاكي في العالم لفوسفات حديد الليثيوم. خاصة في الفترة من 2012 إلى 2013 ، كان معدل النمو يقارب 200٪. في عام 2013 ، بلغ حجم مبيعات فوسفات حديد الليثيوم في الصين حوالي 5797 طنًا ، وهو ما يمثل أكثر من 50٪ من المبيعات العالمية.
في عام 2014 ، تم بيع 75 ٪ من مواد كاثود فوسفات الحديد الليثيوم إلى الصين. العمر النظري لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم من 7 إلى 8 سنوات (محسوبة في 7 سنوات). من المتوقع أن يتم التخلص من حوالي 9400 طن من فوسفات حديد الليثيوم بحلول عام 2021. إذا لم تتم معالجة الكمية الضخمة من النفايات ، فلن يؤدي ذلك إلى تلوث البيئة فحسب ، بل سيؤدي أيضًا إلى إهدار الطاقة وخسائر اقتصادية.
ضرر كبير
يتم سرد LiPF6 والكربونات العضوية والنحاس والمواد الكيميائية الأخرى الموجودة في بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم في قائمة النفايات الخطرة الوطنية. LiPF6 مادة تآكل عالية وتتحلل بسهولة لإنتاج HF عند ملامستها للماء ؛ المذيبات العضوية ومنتجات تحللها وتحللها المائي سوف تسبب تلوثًا خطيرًا للغلاف الجوي والمياه والتربة وتضر بالنظام البيئي ؛ تتراكم المعادن الثقيلة مثل النحاس في البيئة ، وفي النهاية يتضرر البشر من خلال السلسلة البيولوجية ؛ بمجرد دخول الفوسفور إلى البحيرات والمسطحات المائية الأخرى ، من السهل جدًا التسبب في زيادة المغذيات في المسطحات المائية. يمكن ملاحظة أنه إذا لم يتم إعادة تدوير بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم المهملة ، فسوف يتسبب ذلك في ضرر كبير للبيئة وصحة الإنسان.
تكنولوجيا إعادة التدوير غير ناضجة
تُظهر البيانات الحالية أن إعادة تدوير نفايات بطاريات فوسفات الحديد والليثيوم تنقسم إلى نوعين: أحدهما لاستعادة المعادن ، والآخر لإعادة توليد مواد كاثود فوسفات الحديد الليثيوم.
(1) الاسترداد الرطب للليثيوم والحديد
هذا النوع من العمليات هو أساسًا لاستعادة الليثيوم. نظرًا لأن فوسفات الحديد الليثيوم لا يحتوي على معادن ثمينة ، يتم تعديل عملية استرداد كوبالتات الليثيوم. أولاً ، يتم تفكيك بطارية فوسفات الحديد الليثيوم للحصول على مادة قطب كهربائي موجبة ، والتي يتم سحقها ونخلها للحصول على مسحوق ؛ ثم يضاف محلول قلوي إلى المسحوق لإذابة الألومنيوم وأكاسيد الألومنيوم ، ويتم ترشيحه للحصول على بقايا مرشح تحتوي على الليثيوم والحديد وما إلى ذلك ؛ يتم استخدام بقايا المرشح يتم ترشيح المحلول المختلط لحمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين (عامل الاختزال) للحصول على محلول الترشيح ؛ إضافة القلويات لترسيب هيدروكسيد الحديديك ، والترشيح للحصول على المرشح ؛ حرق هيدروكسيد الحديديك للحصول على أكسيد الحديديك ؛ أخيرًا تعديل قيمة الأس الهيدروجيني لمحلول الترشيح (5.0 ~ 8.0) ، الترشيح يتم الحصول على المرشح من محلول الترشيح ، ويتم إضافة كربونات الصوديوم الصلبة للتركيز والتبلور للحصول على كربونات الليثيوم.
(2) تجديد فوسفات الحديد الليثيوم
الاسترداد الفردي لعنصر معين يجعل الفائدة الاقتصادية لاستعادة فوسفات الحديد الليثيوم بدون المعادن الثمينة منخفضة نسبيًا. لذلك ، يتم استخدام تجديد المرحلة الصلبة لفوسفات الحديد الليثيوم بشكل أساسي لمعالجة نفايات بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم. هذه العملية لها فوائد استرداد عالية ومعدل استخدام شامل مرتفع للموارد.
أولاً ، يتم تفكيك بطارية فوسفات الحديد الليثيوم للحصول على مادة القطب الموجب ، والتي يتم سحقها ونخلها للحصول على مسحوق ؛ بعد ذلك ، تتم إزالة الجرافيت والرابط المتبقي عن طريق المعالجة الحرارية ، ثم يضاف المحلول القلوي إلى المسحوق لإذابة أكاسيد الألومنيوم والألمنيوم ؛ مرشح بقايا تحتوي على الليثيوم والحديد وما إلى ذلك ، وتحليل النسبة المولية للحديد والليثيوم والفوسفور في بقايا المرشح ، وإضافة مصدر الحديد ومصدر الليثيوم ومصدر الفوسفور ، وضبط النسبة المولية للحديد والليثيوم والفوسفور إلى 1: 1: 1 ؛ إضافة مصدر الكربون ، بعد طحن الكرة ، يتم الحصول على مادة كاثود فوسفات الحديد الليثيوم الجديدة عن طريق التكليس في جو خامل.
نظام إعادة التدوير غير مكتمل
تصنف الخطة الوطنية "863" ، والخطة "973" و "الخطة الخمسية الحادية عشرة" لتطوير صناعة التكنولوجيا الفائقة ، بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم كمجالات دعم رئيسية ، ولكن المتطلبات الفنية لإنتاج البطاريات صارمة نسبيًا ، مما أدى إلى ارتفاع أسعار البطاريات . على الدراجات النارية الكهربائية وعدد قليل من السيارات. لذلك ، لم يتم التخلص بعد من بطاريات طاقة السيارة بكميات كبيرة ، ولم يتم بعد إنشاء نظام إعادة تدوير بطاريات طاقة السيارة بشكل منهجي ومهني. يعاني نظام إعادة التدوير الحالي من مشاكل معينة ، كما أن كفاءة إعادة التدوير منخفضة.
تعود هذه المشكلة بشكل أساسي إلى الجوانب التالية:
(1) أقل كمية قابلة لإعادة التدوير
عدد كبير من البطاريات المستعملة مبعثر في أيدي الناس ، ولكن ليس لدى الناس مكان لوضعها فيه ، لذلك يتم التخلص منها مع النفايات المنزلية ، بحيث تكون نفايات البطاريات المسترجعة من الأفراد شبه معدومة ، ومعظمها من البطاريات المعاد تدويرها يتم إنتاجها في عملية إنتاج مؤسسات الإنتاج الخردة أو المواد القديمة الموجودة في المخازن ، وعدد بطاريات الطاقة الكبيرة المستردة أقل من ذلك.
(2) نظام إعادة التدوير ليس مثالياً
لم يتم بعد إنشاء نظام مخصص لإعادة تدوير البطاريات في الصين ، وهو في الأساس مجموعة واسعة من ورش العمل الصغيرة. بلدي منتج ومستهلك رئيسي لبطاريات الليثيوم أيون ، ولكن نظرًا لكبر عدد سكانها ، فإن ملكية البطاريات للفرد صغيرة نسبيًا. لفترة طويلة ، لم تقم شركات إعادة التدوير بإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون الفردية التي ليس لها قيمة إعادة التدوير.
(3) حواجز عالية للدخول
إذا أرادت إحدى المؤسسات إعادة تدوير البطاريات المستعملة والتخلص منها ، فيجب عليها التقدم بطلب للحصول على ترخيص عمل خاص بالنفايات الخطرة وفقًا "لقانون حماية البيئة لجمهورية الصين الشعبية" و "الإجراءات الإدارية لتصاريح تجربة النفايات الخطرة". على العكس من ذلك ، هناك عدد كبير من الشركات الصغيرة وذات التكنولوجيا المنخفضة ، والتي تتسبب في مشكلة عدم إمكانية تجميع البطاريات بطريقة مركزية.
(4) تكلفة استرداد عالية
يتم استخدام عدد كبير من مواد فوسفات الحديد الليثيوم في القطب الموجب للطاقة أو بطاريات تخزين الطاقة ، والطلب أكبر بكثير من البطاريات الصغيرة العادية. إعادة تدويرها له قيمة اجتماعية عالية ، ولكن تكلفة إعادة التدوير عالية ، ولا تحتوي بطاريات فوسفات الحديد والليثيوم على معادن ثمينة ذات قيمة اقتصادية منخفضة.
(5) ضعف الوعي بإعادة التدوير
لفترة طويلة ، كان هناك القليل من الدعاية والتعليم حول إعادة تدوير البطاريات المستعملة في بلدي ، مما أدى إلى نقص فهم المواطنين المتعمق لمخاطر التلوث للبطاريات المستعملة ، وعدم وعي بإعادة التدوير الواعي.
تفكيك وإعادة تدوير بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
ستدخل البطاريات التي لا تحتوي على قيمة استخدام متتالية في بطاريات وبطاريات فوسفات حديد الليثيوم المتقاعدة بعد الاستخدام المتسلسل في مرحلة التفكيك وإعادة التدوير. الفرق بين بطاريات فوسفات حديد الليثيوم وبطاريات المواد الثلاثية هو أنها لا تحتوي على معادن ثقيلة ، والاسترداد هو بشكل أساسي Li و P و Fe. القيمة المضافة للمنتجات المستردة منخفضة ، ويحتاج الأمر إلى تطوير طريق استرداد منخفض التكلفة. هناك طريقتان رئيسيتان لإعادة التدوير: طريقة الحرائق والطريقة الرطبة.
عملية الانتعاش من الحريق
عادةً ما يكون الاسترداد التقليدي للحريق عبارة عن حرق درجات حرارة عالية لألواح الإلكترود ، والتي تحرق الكربون والمواد العضوية في شظايا القطب ، ويتم أخيرًا فحص الرماد المتبقي الذي لا يمكن حرقه للحصول على مواد مسحوق ناعم تحتوي على معادن وأكاسيد معدنية. عملية هذه الطريقة بسيطة ، لكن عملية المعالجة طويلة ومعدل الاسترداد الشامل للمعادن الثمينة منخفض. تعمل تقنية استعادة الحرائق المحسّنة على إزالة المادة اللاصقة العضوية من خلال التكليس ، وفصل مسحوق فوسفات الحديد الليثيوم عن رقائق الألومنيوم ، والحصول على مادة فوسفات حديد الليثيوم ، ثم إضافة كمية مناسبة من المواد الخام للحصول على الليثيوم والحديد والفوسفور المطلوب . النسبة المولية ، تم تصنيع فوسفات حديد الليثيوم الجديد بطريقة المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية. وفقًا لتقديرات التكلفة ، يمكن أن تكون إعادة التدوير الحرارية الجافة المحسّنة لنفايات بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم مربحة ، لكن فوسفات الحديد الليثيوم المعد حديثًا وفقًا لعملية إعادة التدوير هذه به العديد من الشوائب والأداء غير المستقر.
عملية إعادة التدوير الرطب
الاسترداد الرطب هو بشكل أساسي إذابة أيونات المعادن في بطارية فوسفات الحديد الليثيوم من خلال محلول القاعدة الحمضية ، واستخدام المزيد من الترسيب ، والامتصاص ، وما إلى ذلك لاستخراج أيونات المعادن المذابة في شكل أكاسيد وأملاح. تستخدم معظم عمليات التفاعل H2SO4 و NaOH وكواشف مثل H2O2. عملية إعادة التدوير الرطب بسيطة ، ومتطلبات المعدات ليست عالية ، وهي مناسبة للإنتاج على نطاق صناعي.
تعتمد إعادة التدوير الرطب لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بشكل أساسي على إعادة تدوير الأقطاب الكهربائية الموجبة. عندما يتم استرداد القطب الموجب لفوسفات الحديد الليثيوم من خلال العملية الرطبة ، يجب فصل مجمع تيار رقائق الألومنيوم عن المادة النشطة للإلكترود الموجب أولاً. تتمثل إحدى الطرق في استخدام الغسول لإذابة المجمع الحالي ، ولا تتفاعل المادة الفعالة مع الغسول ، ويمكن الحصول على المادة الفعالة عن طريق الترشيح. الطريقة الثانية هي إذابة الرابط PVDF بمذيب عضوي ، بحيث يتم فصل مادة القطب الموجب لفوسفات الحديد الليثيوم عن رقائق الألومنيوم ، وإعادة استخدام رقائق الألومنيوم ، ويمكن إخضاع المادة الفعالة للمعالجة اللاحقة ، والمذيب العضوي يمكن تقطيرها لتحقيق إعادة تدويرها. بالمقارنة مع الطريقتين ، فإن الطريقة الثانية أكثر ملاءمة للبيئة وآمنة. أحد عمليات استعادة فوسفات حديد الليثيوم في القطب الموجب هو إنتاج كربونات الليثيوم. طريقة إعادة التدوير هذه منخفضة التكلفة ويتم اعتمادها من قبل معظم شركات إعادة تدوير فوسفات الحديد الليثيوم. ومع ذلك ، لم يتم إعادة تدوير فوسفات الحديد (المحتوى 95٪) ، المكون الرئيسي لفوسفات حديد الليثيوم ، مما أدى إلى إهدار الموارد.
تتمثل طريقة الاستعادة الرطبة المثالية في تحويل نفايات مواد كاثود فوسفات الحديد الليثيوم إلى أملاح الليثيوم وفوسفات الحديد لتحقيق الاسترداد الكامل للعناصر Li و Fe و P. من أجل تحويل فوسفات الليثيوم الحديدية إلى ملح الليثيوم وفوسفات الحديد ، واحتياجات الحديد الحديدية يتأكسد إلى حديد حديدي ، ويتم ترشيح الليثيوم عن طريق ترشيح الأحماض أو الترشيح القلوي. يستخدم بعض العلماء التكليس التأكسدي لفصل رقائق الألومنيوم وفوسفات حديد الليثيوم ، ثم الترشيح والفصل بحمض الكبريتيك للحصول على فوسفات الحديد الخام ، ويتم تطهير المحلول بكربونات الصوديوم لترسب في كربونات الليثيوم ؛ يتم تبخير المادة المرشحة وبلورتها للحصول على منتج كبريتات الصوديوم اللامائية وبيعها كمنتج ثانوي ؛ يتم تكرير فوسفات الحديد الخام بشكل إضافي للحصول على فوسفات الحديد من فئة البطاريات ، والذي يمكن استخدامه لتحضير مواد فوسفات الحديد الليثيوم. كانت هذه العملية ناضجة نسبيًا بعد سنوات من البحث.
بطارية Keheng ذاتية التسخين
100AH 12 فولت تدفئة منخفضة الحرارة تمكين
مجموعة منتجات Keheng New Energy
بطارية Escooter / ebike
بطارية LiFePO12 24V / 4V
محطة كهرباء محمولة
أنظمة تخزين الطاقة ESS
بطاريات دورة عميقة مع BMS lifepo4 بطارية ليثيوم
درجة حرارة منخفضة 24V 60AH بطارية LiFePO4 دورة عميقة
