Batería de iones de litio de alta temperatura
A principios de este año, BYD volvió a llamar la atención de la gente sobre las baterías de fosfato de hierro y litio mediante pruebas de acupuntura en baterías de cuchillas. A través de esta prueba de acupuntura, muchas personas han aprendido que las baterías de fosfato de hierro y litio tienen más ventajas que las baterías de litio ternarias en términos de seguridad.
Al mismo tiempo, cuando llegó el momento de finales de 2020, mientras la temperatura seguía bajando, muchos propietarios de coches eléctricos del norte empezaron a quejarse en Internet de problemas como la disminución de la duración de la batería de vehículos eléctricos en invierno y velocidades de carga lentas. Entre ellos, el rendimiento de los vehículos eléctricos que utilizan baterías de fosfato de hierro y litio en entornos de baja temperatura ha hecho que muchos propietarios de vehículos eléctricos se sientan miserables.
Se puede ver que tanto las baterías ternarias de litio como las de fosfato de hierro y litio tienen sus propias ventajas y desventajas. No podemos decir simplemente qué batería es buena y cuál es mala. Entonces, ¿cuál es la razón detrás de esto que hace que su desempeño sea diferente? Tengamos una buena charla hoy.
Entre las baterías eléctricas, las baterías de fosfato de hierro y litio y las baterías de litio ternarias son las dos baterías de iones de litio más utilizadas. Su diferencia radica únicamente en la elección de los materiales del cátodo. El material del cátodo de las baterías de litio ternarias es níquel cobalto manganeso (NCM) o níquel cobalto aluminio (NCA), y el material del cátodo de las baterías de fosfato de hierro y litio es fosfato de hierro y litio. Es precisamente debido a los diferentes materiales del cátodo que tienen diferentes destinos. .
No importa qué material se utilice como electrodo positivo, la esencia de la batería sigue siendo una reacción química y las características de los elementos químicos son innatas, lo que no cambiará solo porque conviertas la batería en un forma rectangular o cilíndrica.
Fosfato de hierro y litio estable y confiable
No importa qué material se utilice como electrodo positivo, la esencia de la batería es la reacción química y las características de los elementos químicos son innatas. No cambiará porque hagas la batería rectangular o cilíndrica. En primer lugar, desde un punto de vista químico, el fosfato de hierro y litio es un sistema cristalino ortorrómbico típico. Cada celda unitaria contiene cuatro unidades, un FeO4 octaédrico, un PO4 tetraédrico y dos aristas LiO6*** octaédricas. Tiene bordes con dos LiO6 octaédricos. Esta estructura permite que los iones de litio se muevan libremente durante la carga y descarga.
Ventajas:
Al mismo tiempo, los conocimientos de química de la escuela secundaria nos dicen: el enlace de valencia P-O*** en el fosfato de hierro y litio tiene una gran energía de enlace, por lo que es muy estable. y no es fácil de descomponer y su estructura no colapsará bajo altas temperaturas ni se sobrecargará. Precisamente porque su estructura es difícil de destruir, el átomo de oxígeno en el otro extremo del enlace valente será muy honesto y difícil de oxidar y liberar.
Por lo tanto, el fosfato de litio y hierro tiene buena resistencia a altas temperaturas. Básicamente, cuando la temperatura alcanza aproximadamente 500 °C, no destruirá el enlace de valencia P-O*** ni liberará oxígeno (cuando está completamente cargado, el fosfato de litio y hierro). Las baterías no se descompondrán térmicamente hasta alrededor de 700°C). Esto explica por qué las baterías Blade basadas en fosfato de hierro y litio aún no se incendian después de ser perforadas.
En segundo lugar, el material de fosfato de hierro y litio no reorganiza sus cristales cuando se desintercalan los iones de litio, por lo que tiene buena reversibilidad y ciclabilidad. Esta característica permite que el ciclo de vida de las baterías de fosfato de hierro y litio de tipo energético sea de entre 3000 y 4000 veces, y el ciclo de vida de las baterías de fosfato de hierro y litio de tipo tarifario puede ser incluso de hasta decenas de miles de veces.
Desventajas:
El fosfato de hierro y litio tiene baja conductividad porque los octaedros de FeO6 adyacentes en su estructura están conectados a través de vértices ***, al mismo tiempo, la red espacial tridimensional de Litio; El fosfato de hierro con estructura similar a la olivina forma un canal de transmisión de iones de litio unidimensional, que limita la difusión de iones de litio, por lo que su eficiencia de carga y descarga se ve afectada. En ambientes de baja temperatura, la actividad de los materiales disminuye y la cantidad de iones de litio que pueden moverse disminuye. Por lo tanto, el fosfato de hierro y litio no se desempeña bien a bajas temperaturas.
Además, en comparación con los materiales ternarios, los materiales de fosfato de hierro y litio tienen una capacidad de descarga específica menor y un voltaje promedio más bajo. Por lo tanto, la energía específica de masa de las baterías de fosfato de hierro y litio es generalmente menor que la del litio ternario. . Además, debido a que las partículas de fosfato de hierro y litio en sí mismas no son densas, su densidad de compactación y densidad de compactación son bajas (la densidad compactada de la pieza polar de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 2,3-2,4 g/cm2, mientras que la pieza polar ternaria puede alcanzar 3,3 -3,5?g/cm?).
Entonces, en términos sencillos, en las mismas condiciones de volumen, si se instala menos fosfato de hierro y litio, la capacidad natural será menor y la densidad de energía será menor. Y, de hecho, la opinión común en la industria es que la densidad energética del fosfato de hierro y litio ha alcanzado su techo y es imposible seguir aumentando significativamente.
El litio ternario tiene alta densidad pero es resistente al calor
El material del cátodo de la batería de litio ternario es níquel cobalto manganeso (NCM) o níquel cobalto aluminio (NCA), siendo el más común níquel En cuanto a la batería ternaria de litio de cobalto-manganeso, está hecha de sal de níquel, sal de cobalto y sal de manganeso como materia prima, y se combina en una determinada proporción, y cada elemento juega un papel importante. características de cada elemento También restringe el rendimiento de la batería.
NCM tiene una estructura de sal de roca en capas de tipo α-NaFeO2 similar al LiCoO2. Pertenece al sistema cristalino hexagonal y el grupo de puntos espaciales es ?R3m. Como se puede ver en la Figura 1 a continuación, Li ocupa principalmente la posición 3a en la red cristalina y O ocupa la posición 6c, formando una estructura octaédrica de MO6. Ni, Co y Mn ocupan la posición 3b en desorden. Se consideran capas octaédricas de [MO6] y capas octaédricas de [LiO6] apiladas alternativamente, lo que es muy adecuado para la inserción y extracción de iones de litio.
Los radios de Ni2 (0.069?nm) y Li (0.076?nm) están cerca. Ni2 puede entrar fácilmente en la oblea y ocupar la posición 3a de Li, mientras que Li puede entrar en la oblea principal y. Ocupa la posición 3b. Se produce el fenómeno de mezcla de cationes (como se muestra en la Figura 2 a continuación), lo que hace que el parámetro de celda unitaria ?a aumente. El radio de ?Ni2 en la capa de ?Li es más pequeño que el de ?Li, lo que reducirá el espesor entre las obleas y se oxidará en ?Ni3 o ?Ni4 durante la carga, provocando el colapso local del espacio entre obleas y aumentando la dificultad de ?Ni2 en la capa de ?Li. Incrustación de iones de litio durante el proceso de descarga. Reduce la capacidad reversible del material.
La entrada de Li en la capa de metal de transición ampliará el espesor de la viruta principal y dificultará su desintercalación, empeorando el rendimiento electroquímico del material. Por lo tanto, cuanto menor sea el espesor entre las obleas, más difícil será para el Li volver a intercalarse. El grado de mezcla de iones se puede caracterizar por el valor de ?c/a? y ?I(003)/I(104) cuando c/agt es 4,9 y I(003)/I(104)gt; de mezcla de iones es baja.
En términos simples, el cobalto (Co) puede facilitar la desintercalación de los iones de litio, mejorar la conductividad del material y mejorar el rendimiento del ciclo de descarga, pero un contenido demasiado alto de Co conducirá a costos más altos y bajos. el rendimiento del níquel (Ni) puede aumentar la capacidad reversible del material, pero si su contenido es demasiado alto, el rendimiento del ciclo del material será deficiente; el manganeso (Mn) puede mejorar la seguridad y la estabilidad del material, pero si su contenido es demasiado alto, reducirá la capacidad en gramos del material.
Ventajas:
Con el fuerte soporte estructural del manganeso (la estructura del material ternario no es fácil de colapsar) y la mejora de la energía del material catódico con níquel, bajo la En el mismo volumen, los materiales ternarios tienen más electricidad que el fosfato de hierro y litio.
Además, otra ventaja destacada de los materiales ternarios es el rendimiento a bajas temperaturas. Objetivamente hablando, es debido al bajo rendimiento del fosfato de hierro y litio que se destaca el rendimiento a bajas temperaturas de los materiales ternarios. Debido a que la polaridad del fosfato de hierro y litio PO4 es demasiado fuerte, tiene una gran capacidad de unión al Li y el coeficiente de difusión es bajo. Los materiales ternarios no tienen este problema, por lo que en ambientes de baja temperatura, la carga y descarga se ven menos afectadas.
Desventajas:
Por supuesto, los materiales ternarios también tienen sus propias desventajas. Los tres elementos en sí no son resistentes a altas temperaturas y, en casos extremos, liberarán moléculas de oxígeno. , su ciclo de vida también es más largo que el del ácido fosfórico. Existe una brecha entre el hierro y el litio, lo que demuestra que los tres yuanes no son un escenario único para todos. De hecho, la estabilidad térmica es un punto débil para los materiales ternarios. La estructura elemental los hace menos ligados al oxígeno. Esto requiere especial atención a esta debilidad en el diseño de la batería, al igual que el parachoques de un vehículo.
Resumen de Heidian:
El factor de "reducción de subsidios" ha obligado a las empresas de vehículos de nueva energía a reducir costos y obtener ganancias, lo que también ha hecho que las baterías de fosfato de hierro y litio vuelvan a ser la atención de todos. a la vista. El uso de baterías de fosfato de hierro y litio no es una regresión técnica, porque su relación con las baterías ternarias de litio es como la de los motores autocebantes y de turbina. No hay "quién es mejor y quién es peor" entre los dos, pero lo son. utilizado en diferentes escenarios.
En el futuro, las baterías de fosfato de hierro y litio y las baterías ternarias de litio tendrán un parteaguas dependiendo del posicionamiento de los modelos. Para sopesar los dos indicadores importantes de la autonomía de crucero y el precio de venta, el fosfato de hierro y litio revivirá gradualmente en los productos de gama media y baja. Pero, por el contrario, los productos de gama media a alta deben tener en cuenta más escenarios de uso y rendimiento, y las baterías de litio ternarias seguirán siendo la tecnología de baterías de energía principal.
Este artículo proviene del autor de Autohome Chejiahao y no representa los puntos de vista ni las posiciones de Autohome.