世界的なエネルギー構造の継続的な調整と再生可能エネルギーの急速な発展により、エネルギー貯蔵テクノロジーは徐々にエネルギー転換の重要なサポートとなり、将来の経済発展を推進します。
エネルギー貯蔵電池技術の紹介
エネルギーは世界を動かす根本的な力であり、人類社会の発展に依存する核心資源です。初期の火の使用から今日の電気に至るまで、エネルギーの開発と利用は文明の進歩を推進し、現在の社会構造を形成してきました。
世界的なエネルギー需要の継続的な成長と再生可能エネルギーの急速な発展に伴い、エネルギー貯蔵電池技術が台頭し、エネルギー分野の重要な柱となっています。エネルギー貯蔵電池は、風力や太陽光などの断続的なエネルギー源を効果的に蓄え、需要のピーク時に放出することで、電力供給の安定性を確保します。この技術は、従来の化石燃料への依存を軽減するだけでなく、低炭素で持続可能なエネルギー システムを実現するための重要な保証も提供します。-
従来の鉛酸電池から最新のリチウム{1}イオン電池、そして新たな固体電池やナトリウム{{3}イオン電池に至るまで、エネルギー貯蔵電池技術の開発は常に技術的なボトルネックを打破しています。エネルギー密度の向上、寿命の延長、安全性の向上により、エネルギー貯蔵電池は家庭用エネルギー貯蔵、輸送、送電網規制などの分野で幅広い応用の可能性を示しています。蓄電池技術は現在のエネルギー構造変革の鍵となるだけでなく、将来のスマートグリッドや分散型エネルギーシステムの中核となる技術であると言えます。
リチウム-ベースのバッテリー エネルギー貯蔵技術
1970 年、エクソンモービルの MS Whittingham が最初のリチウム-電池を作成しました。彼は、正極と負極としてそれぞれ二硫化チタンと金属リチウムを使用しました。充放電中、負極では金属リチウムが消費・生成され続け、正極では二硫化チタンがリチウムイオンを吸蔵・放出し続けます。これら 2 つのプロセスは電池の寿命全体にわたって可逆的であるため、電圧 2V の二次リチウム-イオン電池が形成されます。1982 年、イリノイ工科大学の RR Agarwal と JR Selman は、リチウムイオンがグラファイトに挿入する性質があり、これは急速かつ可逆的なプロセスであることを発見しました...その誕生以来、リチウム- イオン電池は研究、開発、進化のプロセスを経てきました。その優れた便利な性能により、携帯電話やタブレットなどの 3C 製品から電気自動車などの電力エネルギー分野、太陽光発電や風力発電などの大規模エネルギー貯蔵分野に至るまで、さまざまな分野にますます浸透しており、社会生活に大きな影響を与えています。-
バッテリーとは何ですか?
▲電池開発の歴史
▲リチウム-イオン電池の紹介
▲リチウム-イオン電池の特徴
▲リチウム-イオン電池の主な材料
バッテリーは電源の一種です。電源は大きく物理電源と化学電源に分けられます。物理的電源には、太陽光発電装置、熱電発電装置、火力発電機、水力発電機などが含まれます。一方、化学電源は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる発電装置、つまり一般的な意味での化学電池、または単に電池を指します。
電池システムは、鉛-酸電池、ニッケル-カドミウム電池、ニッケル-水素化物電池、リチウム-電池）の 4 世代にわたって進化してきました。バッテリーの性能は継続的に向上しており、バッテリーシステムに対する人間の理解は深まっています。現在、リチウム-イオン電池は最も効率的でエネルギー効率の高い充電式電池システムであり、人間の電池研究と技術の最高レベルを代表しています。-
リン酸鉄リチウム材料の研究開発の歴史
▲リン酸鉄リチウム材料の開発経緯
▲リン酸鉄リチウムの特許状況
▲リン酸鉄リチウム材料の構造と性能の研究
リン酸鉄リチウム（LiFeP、LFP、リン酸鉄リチウムまたはリン酸鉄リチウムとも呼ばれる）は、リチウム-イオン電池に使用される正極材料です。コバルトやニッケルなどの貴重な元素が存在しないこと、原料価格が安いこと、地殻中にリン、リチウム、鉄資源が豊富に存在することが特徴で、年間100万トンを超える市場需要に対応できる。カソード材料としてのリン酸鉄リチウムは、適度な動作電圧 (3.2V)、高い比容量 (170mA・h/g)、高い放電電力、急速充電能力、長いサイクル寿命、および高温および高熱環境下での優れた安定性を備えています。
リン酸鉄リチウム材料の製造に使用される製造設備
▲生産設備要件:;混合設備;乾燥設備;焼結設備;粉砕設備;スクリーニング装置;窒素発生装置、包装装置。
リン酸鉄リチウム（LFP）正極材料がリチウムイオン電池の製造に使用される場合、その純度、相、不純物に対する要件は非常に厳しくなります。{0}}たとえば、LFP の二価鉄の酸化度が 1% に達すると、比容量が 30% 以上減少する可能性があります。これは、新たに生成された 3 価の鉄が LFP の表面をコーティングし、さらなる内部反応を防ぐ反応層を形成するためです。 LFP がすでに酸化されている場合、原料中のリチウムイオンがすでに失われているため、その後の還元方法では LFP を得ることができません。
シュウ酸第一鉄法によるリン酸鉄リチウム材料の調製
▲合成原理
▲主な合成原料
▲合成工程
▲合成素材の性能
シュウ酸第一鉄を原料としてリン酸鉄リチウムを合成する方法をシュウ酸第一鉄法（または単に第一鉄法）といいます。現在、シュウ酸第一鉄法は中国で最も広く使用されているプロセスおよび方法であり、国内メーカーの半数以上がこの方法を使用しています。その主な利点は、原料コストが低く、プロセスが簡単で、成分比率の制御が容易であることです。
炭素熱還元によるリン酸鉄リチウム材料の調製
▲合成原理
▲主な合成原料
▲合成工程
▲合成素材の性能
リン酸鉄リチウム (LiFePO4) 材料を製造するメーカーの間では、炭素熱還元法は現在、シュウ酸第一鉄法に次いで 2 番目に広く使用されている技術です。主な原料は第二鉄（Fe2PO4）で、リン酸鉄（Fe2PO4）や酸化鉄（Fe2O3）などがあります。反応中、炭素 (C) と一酸化炭素 (C2O3) は第二鉄 (Fe2PO4) を第二鉄 (Fe2+) に還元し、結晶格子に入り、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) の結晶構造を形成します。
炭素熱還元法の利点は、加工中に原材料の酸化を考慮する必要がないことです。さまざまな混合方法を使用して原料を処理し、望ましい分散状態を達成できます。高温段階でのみ炭素が第二鉄を第一鉄に還元し、リン酸鉄リチウムを形成するため、炭素熱還元法と呼ばれています。炭素熱還元法は 1 段階の還元を達成し、ガス発生量を減らし、収率の向上に役立ちます。{2}同時に、合成プロセスがシンプルで制御が容易であるため、炭素熱還元法を採用する企業が増加しています。
リン酸鉄リチウム材料の水熱調製
▲合成原理
▲主な合成原料
▲合成工程
▲合成素材の性能
水熱法は、リン酸鉄リチウム正極材料を調製するための比較的先進的な方法である。その主なプロセスでは超臨界熱水システムを利用し、硫酸第一鉄、水酸化リチウム、リン酸を水に溶解し、密閉環境で溶液を 100 度以上に加熱して高温高圧の水溶液を形成します。-反応はイオン拡散により進行し、リン酸鉄リチウムの結晶粒子が生成します。次に、純粋なリン酸鉄リチウム材料を濾過、乾燥し、炭素-でコーティングして、リン酸鉄リチウム/炭素複合材料を形成します。
リン酸鉄リチウム材料の従来の試験および分析方法
▲リン酸鉄リチウム材料の化学組成分析および試験方法
▲リン酸鉄リチウム材料の物性試験方法
▲リン酸鉄リチウム材料の電気化学的性能試験方法
▲リン酸鉄リチウム材料の実用化評価
リン酸鉄リチウム (LFP) 材料の場合、テストは中核技術であり、合成プロセスの管理よりもさらに重要です。精密かつ正確なテストデータがなければ、安定したプロセス条件を得ることができないため、使用要件を満たす適格なLFP製品を生産することはできません。原材料の調達、合成から完成品の評価に至るまで、製造プロセス全体を通じて材料の厳格なテストが不可欠です。したがって、LFP を研究および生産する部門は、テスト システムの構築に重点を置く必要があります。洗練された試験装置、厳格な試験方法、十分な訓練を受けた試験担当者の採用は、企業が業界での地位を維持するための基本条件です。{4}}
リン酸鉄リチウム材料のその他の特性解析
▲リン酸鉄リチウム材料の電気化学的性能解析
▲リン酸鉄リチウム材料の電子顕微鏡による形態解析
▲リン酸鉄リチウム材料の表面エネルギー
▲リン酸鉄リチウム材料における鉄の溶解度の測定
▲リン酸鉄リチウム材料の分光特性
リン酸鉄リチウム材料の実用化においては、日常的な性能試験に加えて、材料性能評価や電池製造プロセスの参考となる特定の特性を測定する必要があります。技術の進歩により、以前は完全なセルを使用してのみ測定できた一部のパラメーターは、現在では簡単な方法を使用して決定できるようになりました。たとえば、リン酸鉄リチウム材料のサイクル性能、特に炭素サイクル性能は、特別に設計されたコインセルを使用して評価できるようになり、測定プロセスが大幅に簡素化されます。
リン酸鉄リチウム材料を用いた電池製造技術
▲リン酸鉄リチウム電池システムの設計仕様
▲リン酸鉄リチウム原料スラリー調製技術
▲リン酸鉄リチウムスラリーの塗布
▲リン酸鉄リチウム電極の圧延
▲変形と分裂
▲その他の電池製造事例
リチウムイオン電池の場合、初期設計が主な作業です。-設計作業には、リチウムイオン電池の製造プロセスの決定が含まれます。-電池の性能は主に電極によって決まるため、電極の設計は電池製造プロセスの中核となります。これはリン酸鉄リチウム電池にも当てはまります。
リン酸鉄リチウム電池の主な応用分野
▲リン酸鉄リチウム電池の電気輸送機器への応用
▲エネルギー貯蔵電源におけるリン酸鉄リチウム電池の応用
▲リン酸鉄リチウム電池の電動工具への応用
▲リン酸鉄リチウム電池の用途
リン酸鉄リチウム（LFP）はリチウムイオン電池の正極材料であり、その最大の利点は高い安全性です。{0}}また、長いサイクル寿命、低い材料コスト、豊富な原料源など、リチウムマンガン酸化物やニッケル-マンガン-コバルト三元材料にはない利点も備えています。 LFP バッテリーは安定した電圧、適度な動作電圧、電解質システムとの良好な適合性を備え、毒性がなく、メモリー効果がなく、環境を汚染しません。-比エネルギーは 100～130 Wh/kg に達することがあります。これは、鉛酸電池の 0.3～5 倍、ニッケル-電池の 1.5 倍です。その多くの利点を考慮すると、電気自動車、風力および太陽エネルギー貯蔵、家庭用の安全なバックアップ バッテリーにとって理想的なバッテリーと考えられています。
リチウムイオン電池用の他の正極材料の見通し-
▲リン酸バナジウムリチウム正極材-
▲リン酸マンガンリチウム正極材
▲ケイ酸鉄リチウム正極材
▲ホウ酸鉄リチウム正極材
▲リチウム-が豊富な層状正極材料
リン酸鉄リチウム（LFP）材料の出現により、大規模な{0}}リチウムイオン電池-の広範な応用のための材料科学の基礎が築かれました。
よく知られているように、リチウムイオン電池の安全性は常に業界の発展を制限する中心的かつ重要な問題でした。{0}安定した材料特性と高度な加工設備を備えた先進国であっても、リチウムイオン電池の安全性を完全に保証することはできません。{2}}現在、我が国におけるリチウムイオン電池の処理レベルが比較的低いことを考慮すると、LFP は我が国の国情に非常に適しており、電池の安全性が大幅に向上しています。{4}