リン酸鉄リチウム電池の動作原理と9つの利点

リン酸鉄リチウム電池リン酸鉄リチウムを正極材料としたリチウムイオン電池です。リチウムイオン電池の正極材料には、主にコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、三元系材料、リン酸鉄リチウムなどがあります。

リチウムイオン電池の正極はリン酸鉄リチウム材料で、安全性能やサイクル寿命に大きなメリットがあり、パワーバッテリーの最も重要な技術指標のひとつでもあります。 1Cの充放電サイクル寿命は2000回達成可能であり、パンクは爆発せず、過充電時に燃焼および爆発しにくい。リン酸鉄リチウムの陰極材料により、大容量のリチウムイオン電池を直列に使用しやすくなります。

リン酸鉄リチウム電池とは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池のことです。リチウムイオン電池の陰極材料には、主にリチウムコバルト酸化物、マンガン酸リチウム、リチウムニッケル酸化物、三元材料、リチウム鉄リン酸塩などが含まれます。その中で、リチウムコバルト酸化物は、リチウムイオン電池の大部分で使用される陰極材料です。。材料の原理に関しては、リン酸鉄リチウムもインターカレーションおよびデインターカレーションプロセスであり、コバルト酸リチウムおよびマンガン酸リチウムとまったく同じです。

リン酸鉄リチウム電池はリチウムイオン二次電池であり、主な用途のXNUMXつはパワー電池であり、NI-MHおよびNi-Cd電池に比べて大きな利点があります。

リン酸鉄リチウム電池の充放電効率は高く、鉛蓄電池が約90％であるのに対し、充放電効率はレート放電で80％以上に達する可能性があります。

リン酸鉄リチウム電池の動作原理とXNUMXつの利点 — リン酸鉄リチウム電池の動作原理と9つの利点

リン酸鉄リチウム電池の9つの利点

安全性能の向上

リン酸鉄リチウム結晶のPO結合は安定しており、分解しにくいです。高温や過充電状態でも、コバルト酸リチウムのように崩壊・発熱したり、強い酸化性物質を生成したりすることがないため、安全性に優れています。報告によると、実際の操作では、鍼灸や短絡実験で少数のサンプルが燃焼していることがわかりましたが、爆発は発生しませんでした。過充電実験では、自己放電電圧の何倍もの高電圧充電を使用したところ、まだ爆発現象が見られました。それでも、通常の液体電解質コバルト酸リチウム電池と比較して、過充電の安全性が大幅に向上しています。

寿命の改善

リン酸鉄リチウム電池とは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを使用するリチウムイオン電池のことです。

長寿命鉛蓄電池のサイクル寿命は約300倍、最大500倍、リン酸鉄リチウム電池のサイクル寿命は2,000倍以上、標準充電（5時間充電）使用は2,000回に達することができます。同品質の鉛蓄電池は「新半年、旧半年、半年の保守・保守」で、最長で1年から1.5。7年、リン酸鉄リチウム電池の理論寿命は8年になります。同じ条件下で使用した場合、4年まで。総合的に考えると、性能と価格の比率は、理論的には鉛蓄電池の2倍以上です。大電流放電は大電流40Cを素早く充電・放電できます。専用充電器で1.5C充電後2分以内にバッテリーを完全充電でき、始動電流はXNUMXCに達しますが、鉛蓄電池にはこれがありません。パフォーマンス。

良好な高温性能

リン酸鉄リチウム電池の電熱ピークは350℃〜500℃に達することがありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムはわずか200℃程度です。作動温度範囲が広く（-20℃〜+ 75℃）、耐熱性の高いリン酸鉄リチウムの電気加熱ピークは350℃〜500℃に達することがありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムはわずか200℃程度です。

大容量

通常の電池（鉛蓄電池など）よりも容量が大きいです。モノマー容量は5AH-1000AHです。

記憶効果がない

二次電池は完全に充電された状態で動作することが多く、容量はすぐに定格容量を下回ります。この現象はメモリー効果と呼ばれます。ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池と同様にメモリはありますが、リン酸鉄リチウム電池にはこの現象はありません。バッテリーの状態に関係なく、充電前に放電しなくてもいつでも使用できます。

軽量

同じ仕様と容量のリン酸鉄リチウム電池の容量は鉛蓄電池の容量の2/3であり、重量は鉛蓄電池の1/3です。

環境にやさしいです

バッテリーは一般に、重金属やレアメタル（ニッケル水素バッテリーにはレアメタルが必要）がなく、毒性がなく（SGS認定済み）、汚染がなく、欧州のRoHS規制に準拠しており、絶対的なグリーンバッテリーであると見なされています。証明書。したがって、リチウム電池が業界で支持されている理由は、主に環境保護への配慮によるものです。そのため、バッテリーは「第863次XNUMXカ年計画」期間中の「XNUMX」国家ハイテク開発計画に含まれ、国によって支援および奨励された重要なプロジェクトになりました。中国のWTO加盟に伴い、中国の電動自転車の輸出量は急増し、欧米に参入する電動自転車には無公害のバッテリーを搭載することが求められています。

しかし、一部の専門家は、鉛蓄電池によって引き起こされる環境汚染は、主に企業の非標準的な製造プロセスとリサイクルプロセスで発生すると述べています。同様に、リチウム電池は新エネルギー産業に属していますが、重金属汚染の問題を回避することはできません。金属材料の処理に含まれる鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、クロムなどは、粉塵や水に放出される可能性があります。バッテリー自体は化学物質であるため、XNUMX種類の汚染を引き起こす可能性があります。XNUMXつは生産プロジェクトでのプロセス廃棄物汚染です。もうXNUMXつは、廃棄後のバッテリーの汚染です。

リン酸鉄リチウム電池にも欠点があります。たとえば、低温性能が悪い、正極材料のタップ密度が低い、等容量のリン酸鉄リチウム電池の容量がリチウムなどのリチウムイオン電池よりも多いなどです。コバルト酸であるため、マイクロバッテリーには利点がありません。パワーバッテリーで使用する場合、他のバッテリーと同様に、リン酸鉄リチウムバッテリーはバッテリーの一貫性の問題に直面する必要があります。

パワーバッテリーの比較

現在、パワーリチウムイオン電池用の最も有望なカソード材料は、主に修飾されたマンガン酸リチウム（LiMn2O4）、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）、およびマンガン酸ニッケルコバルトリチウム（Li（Ni、Co、Mn）O2）の三元材料です。ニッケルコバルトマンガン酸リチウム三元材料は、コバルト資源の不足、ニッケルとコバルトの生成量の多さ、価格変動が大きいため、一般に電気自動車用のパワータイプのリチウムイオン電池の主流になるのは難しいと考えられていますが、スピネルマンガン酸。リチウムは一定の範囲で組み合わせて使用されます。

工業利用

カーボンコーティングされたアルミホイルは、リチウム電池業界に技術革新と産業改善をもたらします。リチウム電池製品の性能を向上させ、放電率を向上させます。

国内の電池メーカーの電池性能に対する要求が高まるにつれ、中国では、導電性材料、導電性コーティングされたアルミホイル、銅箔などの新エネルギー電池材料が一般的に認識されています。

その利点は次のとおりです。電池材料を処理する場合、多くの場合、高速の充放電性能と大きな比容量がありますが、サイクルの安定性が低く、減衰が深刻であるため、選択する必要があります。

これは、バッテリー性能の向上を新しい時代にもたらす魔法のコーティングです。

導電性コーティングは、分散したナノ導電性グラファイトコーティング粒子などからなる。優れた静的伝導性を提供し、保護エネルギー吸収層です。また、優れたカバレッジ保護も提供します。コーティングは水ベースおよび溶剤ベースであり、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、およびチタンのバイポーラプレートに適用できます。

カーボンコーティングにより、リチウム電池の性能が次のように向上します。

バッテリーの内部抵抗を減らし、充放電サイクル中の動的内部抵抗の増加を抑制します。

バッテリーパックの一貫性を大幅に改善し、バッテリーパックのコストを削減します。

活物質と集電体の密着性を高め、ポールピースの製造コストを削減します。

分極を減らし、レート性能を改善し、熱効果を減らします。

電解液による集電体の腐食を防ぎます。

バッテリー寿命を延ばすための包括的な要素。

コーティングの厚さ：従来の片面の厚さ1〜3μm。

近年、日本と韓国は、トヨタとパナソニック、日立、ソニーが設立した合弁会社であるパナソニックEVエナジーなど、カソード材料としてマンガン酸リチウムとマンガン酸ニッケルコバルトリチウム三元材料を改質したパワーリチウムイオン電池を主に開発してきました。、新神戸電機、NEC、三洋電機、サムスン、LGなど。

米国は主に、A123 SystemsCompanyやValenceCompanyなど、正極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したパワータイプのリチウムイオン電池を開発していますが、米国の主要な自動車メーカーは、マンガンベースの正極材料システムのパワータイプのリチウムイオンを選択しています。 PHEVとEVのバッテリー。また、アメリカのA123社はマンガン酸リチウム材料の分野への参入を検討していると言われているが、ドイツなどの欧州諸国は主に他国の電池会社と協力してダイムラーベンツやフレンチサフトなどの電気自動車を開発している。アライアンス、ドイツフォルクスワーゲンと日本の三洋協定の協力待ち。現在、ドイツのフォルクスワーゲンとフランスのルノーも、政府の支援を受けてパワーリチウムイオン電池の開発と製造を行っています。

リン酸鉄リチウム電池のデメリット

材料にアプリケーション開発の可能性があるかどうかは、その利点に焦点を当てるだけでなく、材料に根本的な欠陥があるかどうかがより重要です。

国内では、一般的に、パワーリチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムが選択されています。政府、科学研究機関、企業、さらには証券会社の市場アナリストは、この材料について楽観的であり、パワーリチウムイオン電池の開発の方向性と見なしています。

理由を分析する主な理由は123つあります。XNUMXつは、米国の研究開発の方向性の影響により、American ValenceとAXNUMXの企業が、リチウムイオンの正極材料としてリン酸鉄リチウムを最初に使用したことです。電池。第二に、中国の電力リチウムイオン電池に使用できる、優れた高温サイクルと貯蔵性能を備えたマンガン酸リチウム材料はありません。ただし、リン酸鉄リチウムには無視できない基本的な欠陥もあり、次のように要約できます。

リン酸鉄リチウムの調製中の焼結プロセス中に、酸化鉄は、高温還元雰囲気中で元素鉄に還元される可能性があります。元素鉄はバッテリーの微小短絡を引き起こす可能性があり、バッテリーの中で最もタブーな物質です。これは、日本がこの材料をパワーリチウムイオン電池の正極材料として使用しなかった主な理由でもあります。
リン酸鉄リチウムには、タップ密度や圧縮密度が低いなどの性能上の欠陥があり、リチウムイオン電池のエネルギー密度が低くなります。低温性能は悪く、ナノカプセル化やカーボンコーティングでもこの問題は解決しませんでした。米国のアルゴンヌ国立研究所のエネルギー貯蔵システムセンターの所長であるドン・ヒルブランド博士がリン酸鉄リチウム電池の低温性能について話したとき、彼はそれをひどいものだと述べました。電気自動車は低温（0℃以下）では運転できません。一部のメーカーは、リン酸鉄リチウム電池の容量保持率は低温でも悪くないと主張していますが、放電電流が小さく、放電遮断電圧が低い場合です。この状態では、デバイスはまったく動作を開始できません。
材料の準備コストとバッテリーの製造コストが高く、バッテリーの歩留まりが低く、一貫性が劣っています。リン酸鉄リチウムのナノスケールおよびカーボンコーティングは、材料の電気化学的性能を向上させますが、エネルギー密度の低下、合成コストの増加、不十分な電極処理性能、および厳しい環境要件などの他の問題ももたらします。リン酸鉄リチウム中の化学元素Li、Fe、Pは非常に豊富でコストは低いですが、調製されたリン酸鉄リチウム製品のコストは低くありません。初期の研究開発費を取り除いても、材料の加工費は比較的高い。バッテリーの準備コストは、最終的なユニットのエネルギー貯蔵コストを高くします。
製品の一貫性が悪い。現在、この問題を解決できるリン酸鉄リチウム材料工場は中国にありません。材料調製の観点から、リン酸鉄リチウムの合成反応は、固相リン酸、酸化鉄、リチウム塩に加えて、炭素前駆体と還元気相を含む複雑な不均一反応です。この複雑な反応プロセスでは、反応の一貫性を確保することは困難です。
知的財産の問題。リン酸鉄リチウムの最初の特許出願は、25年1993月19日にFX MITTERMAIER＆SOEHNE OHG（DE）によって取得され、出願結果は同年XNUMX月XNUMX日に発表されました。リン酸鉄リチウムの基本特許はテキサス大学が所有しており、カーボンコーティングの特許はカナダ人が申請しています。これらのXNUMXつの基本的な特許はバイパスできません。特許使用料が費用に含まれている場合、製品費用はさらに増加します。

また、リチウムイオン電池の研究開発や製造の経験から判断すると、日本はリチウムイオン電池を商品化した最初の国であり、ハイエンドのリチウムイオン電池市場を占めています。米国はいくつかの基礎研究をリードしていますが、これまでのところ大規模なリチウムイオン電池メーカーはありません。したがって、日本がパワーリチウムイオン電池の正極材料としてマンガン酸リチウムを選択することはより合理的です。米国でも、リチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムとマンガン酸リチウムを使用しているメーカーは均等に分かれており、連邦政府はこれらXNUMXつのシステムの研究開発を同時に支援しています。

以上のリン酸鉄リチウムの問題点から、新エネルギー車などのパワーリチウムイオン電池の正極材料として広く使用することは難しい。マンガン酸リチウムの高温サイクルと貯蔵性能の低さの問題を解決できれば、低コストと高速性能という利点があり、パワーリチウムイオン電池への応用は大きな可能性を秘めています。

動作原理と特性リン酸鉄リチウム電池の正式名称は、リン酸鉄リチウムリチウムイオン電池です。これは長すぎるため、略してリン酸鉄リチウム電池と呼ばれます。その性能は特に電力用途に適しているため、「電力」という言葉が名前に追加されています。つまり、リン酸鉄リチウムパワーバッテリーです。「リチウム鉄（LiFe）パワーバッテリー」とも呼ばれます。

金属貿易市場では、コバルト（Co）が最も高価で貯蔵量が少なく、ニッケル（Ni）とマンガン（Mn）が安価で、鉄（Fe）が最も安価です。陰極材料の価格もこれらの金属の価格と一致しています。したがって、LiFePO4カソード材料で作られたリチウムイオン電池が最も安価であるはずです。それのもう一つの特徴は、それが環境を汚染しないということです。

二次電池としての要件は、大容量、高出力電圧、良好な充電および放電サイクル性能、安定した出力電圧、高電流の充電および放電、電気化学的安定性、使用中の安全性（過充電、過放電、および短絡によるものではない）です。不適切な動作により、燃焼または爆発を引き起こす可能性があります）、動作温度範囲が広く、無毒または低毒性であり、環境への汚染がありません。 LiFePO4を正極として使用するリン酸鉄リチウム電池は、特に大きな放電率放電（5-10C放電）、安定した放電電圧、安全性（非燃焼、非爆発）、寿命（サイクルタイム）の点で優れた性能要件を備えています。））、環境への汚染がなく、最高であり、現在最高の大電流出力パワーバッテリーです。

リン酸鉄リチウム電池の構造と動作原理

LiFePO4バッテリーの内部接合部は、バッテリーの正極としてかんらん石構造を備えたLiFePO4であり、アルミホイルによってバッテリーの正極に接続されています。右側はカーボン（グラファイト）で構成された電池の負極で、銅箔で電池の負極に接続されています。バッテリーの上端と下端の間にはバッテリーの電解液があり、バッテリーは金属製のケーシングで密閉されています。

LiFePO4バッテリーが充電されると、正極のリチウムイオンLi+がポリマーセパレーターを通って負極に移動します。放電プロセス中、負極のリチウムイオンLi+はセパレータを介して正極に移動します。リチウムイオン電池は、充電および放電中にリチウムイオンが前後に移動することにちなんで名付けられました。

主なパフォーマンス

LiFePO4バッテリーの公称電圧は3.2V、最終充電電圧は3.6V、最終放電電圧は2.0Vです。さまざまなメーカーで使用されている正極材料と負極材料、および電解質材料の品質とプロセスが異なるため、それらの性能にはいくつかの違いがあります。たとえば、同じタイプのバッテリー（同じパッケージの標準バッテリー）の容量はかなり異なります（10％から20％）。

ここで、さまざまな工場で製造されたリン酸鉄リチウムパワーバッテリーは、さまざまな性能パラメーターにいくつかの違いがあることに注意してください。さらに、バッテリーの内部抵抗、自己放電率、充電および放電温度など、一部のバッテリー性能は含まれていません。

リン酸鉄リチウム電池の容量はかなり異なり、18分の650から数ミリアンペア時間、数十ミリアンペア時間、数百ミリアンペア時間の18650つのカテゴリに分類できます。異なるタイプのバッテリーの同じパラメーターにもいくつかの違いがあります。現在、広く使用されている小型の標準円筒形パッケージリン酸鉄リチウムパワーバッテリーのパラメータープロファイルサイズは、直径XNUMXmm、高さXNUMXmmです（モデルXNUMX）。

ゼロ電圧テストへの過放電

STL18650（1100mAh）リン酸鉄リチウムパワーバッテリーをゼロ電圧への放電テストに使用しました。テスト条件：1100mAh STL18650バッテリーは、0.5Cの充電率で完全に充電された後、0Cの放電率で1.0Cのバッテリー電圧まで放電されます。次に、0Vに配置されたバッテリーを7つのグループに分けます。30つのグループは0.5日間保管され、もう1.0つのグループはXNUMX日間保管されます。ストレージの有効期限が切れると、XNUMXCの充電率で完全に充電され、XNUMXCで放電されます。最後に、XNUMXつのゼロ電圧ストレージ期間の違いが比較されます。

テストの結果、7日間のゼロ電圧ストレージの後、バッテリーに漏れがなく、良好なパフォーマンスが得られ、容量は100％です。 30日間の保管後、漏れはなく、良好なパフォーマンスが得られ、容量は98％です。 30日間の保管後、バッテリーは3回の充放電サイクルにかけられます。容量は100％に戻ります。

このテストは、バッテリーが過放電（0Vまで）されて一定期間保管されても、バッテリーが漏れたり損傷したりしないことを示しています。これは、他の種類のリチウムイオン電池にはない機能です。

リン酸鉄リチウム電池の特徴

以上の紹介により、LiFePO4バッテリーは以下の特徴としてまとめることができます。

高効率出力：標準放電は2〜5C、連続大電流放電は10Cに達し、瞬時パルス放電（10S）は20Cに達することができます。

高温での良好な性能：外部温度が65°C、内部温度が95°C、バッテリー放電終了時の温度が160°Cに達する可能性がある場合、バッテリーの構造は安全で無傷です。 ;

バッテリーが内部または外部で損傷した場合でも、バッテリーは燃焼せず、爆発せず、最高の安全性を備えています。優れたサイクル寿命、500サイクル後、その放電容量は依然として95％を超えています。

ゼロボルトまでの過放電による損傷はありません。急速充電; 低価格; 環境への汚染はありません。

リン酸鉄リチウムパワーバッテリーの応用

リン酸鉄リチウム電池は上記の特性を持ち、さまざまな容量の電池を製造するため、まもなく広く使用されるようになります。その主なアプリケーション分野は次のとおりです。

大型電気自動車：バス、電気自動車、観光車、ハイブリッド車など。

軽電気自動車：電気自転車、ゴルフカート、小型フラットパネルバッテリー車、フォークリフト、清掃車、電気車椅子など。

動力工具：電動ドリル、チェーンソー、芝刈り機など。

リモートコントロールカー、ボート、飛行機、その他のおもちゃ。

太陽光発電および風力発電用のエネルギー貯蔵装置。

UPSおよび非常灯、警告灯および鉱夫用灯（最高の安全性）。

カメラの3V一次リチウム電池と9Vニッケルカドミウムまたはニッケル水素充電式電池（同じサイズ）を交換します。

小型医療機器・携帯機器等

これは、鉛蓄電池をリン酸鉄リチウム電池に交換するアプリケーションの例です。 36V / 10Ah（360Wh）鉛蓄電池を使用し、重量は12kg、50回の充電で約100km、充電回数は約1回、使用時間は約360年です。リン酸鉄リチウム電池を使用した場合、同じ12Whのエネルギー（10Ahの電池4本を直列に接続）を使用し、重量は約80kgです。充電後は約1000km、充電回数は3回、耐用年数は5〜XNUMX年です。リン酸鉄リチウム電池の価格は鉛蓄電池よりもはるかに高いですが、全体的な経済効果はリン酸鉄リチウム電池を使用する方が良く、使用が軽いです。

リチウムイオン電池の性能は、主に正極と負極の材料に依存します。リチウム電池材料としてのリン酸鉄リチウムは、近年登場したばかりです。大容量のリン酸鉄リチウム電池は2005年1月に開発されました。その安全性能とサイクル寿命は他の材料に並ぶものがなく、これらはパワー電池の最も重要な技術的指標です。最大2000回の30C充電および放電サイクル寿命。シングルセルバッテリーの過充電電圧XNUMXVは燃焼せず、パンクは爆発しません。リン酸鉄リチウムカソード材料により、大容量のリチウムイオン電池を直列に使用しやすくなります。電気自動車の頻繁な充電と放電のニーズを満たすために。無毒性、無公害、優れた安全性能、幅広い原材料、低価格、長寿命などの利点があります。新世代のリチウムイオン電池にとって理想的なカソード材料です。

このプロジェクトは、ハイテクプロジェクトにおける機能性エネルギー材料の開発に属し、国家の「863」計画、「973」計画、および「第XNUMX次XNUMXカ年」ハイテク産業開発計画の主要なサポート領域です。。

最近、従来のリチウム電池に代わる新しい電池の進歩が報告されており、携帯電話やタブレットの電池寿命が延びることを期待していますが、残念ながらほとんどが研究室での研究段階にあります。大規模な商用利用は言い難い。

Deboch TEC.GmbHが発行したリン酸鉄リチウム電池技術に関するホワイトペーパーでは、複合ナノ材料を使用した後、32650仕様（直径32mm /長さ65mm）の単一セルのエネルギー密度を6000mAhに上げることができます。これは、現在の業界32650仕様のシングルセル。 5000mAh仕様と比較すると、同じ音量で1000mAhも20％も増えており、4つのセルでiPhone4S携帯電話を約XNUMX回繰り返し充電できます。

さらに嬉しいのは、単一の低速充放電環境で使用した場合、バッテリーは最大80回のサイクルで約3,000％のままであるのに対し、通常のリチウムバッテリーは約500回のサイクルであるということです。。 3日ごとの充電と放電の計算によると、24年間継続して使用でき、真の長寿命バッテリーです。

この新しいバッテリー技術は、ポータブルパワーバンク、小型UPS、ノートブックバッテリー、カーバッテリー、その他の機器で広く使用でき、さまざまな使用環境で、DebochTEC.GmbHはサイクル数に応じてさまざまなバッテリーの色を使用します。：軍用グレードの場合、それは黄金色であり、サイクル数は3000です。青いものは民間車両の分野で2500回使用されています。緑の2000倍は、小型のポータブルモバイルデバイスに適しています。

リン酸鉄リチウム電池の動作原理と9つの利点

目次