인산철 배터리 장단점 - insancheol baeteoli jangdanjeom

리튬 인산 철 배터리의 전체 이름은 리튬 인산 철 리튬 이온 배터리입니다. 이 이름이 너무 길어서 리튬 인산 철 배터리라고합니다. 성능이 전력 응용 분야에 특히 적합하기 때문에 "전력"이라는 단어가 리튬 인산 철 리튬 배터리라는 이름에 추가되었습니다. "리튬 아이언 (LiFe) 파워 배터리"라고도합니다.

작동 원리

리튬 포스페이트 배터리는 리튬 포스페이트를 양극 물질로 사용하는 리튬 이온 배터리를 의미한다. 리튬 이온 전지의 양극 재료는 주로 코발트 산 리튬, 망간 산 리튬, 니켈 산 리튬, 삼원 재료, 인산 철 리튬 등을 포함한다. 그 중에서도 코발트 산 리튬은 대부분의 리튬 이온 배터리에 사용되는 양극 재료입니다.

의미

금속 거래 시장에서 코발트 (Co)는 가장 비싸고 저장 용량이 작습니다. 니켈 (Ni)과 망간 (Mn)은 저렴하고 철 (Fe)은 저장 용량이 더 큽니다. 음극 재료의 가격은 이러한 금속의 가격과 일치합니다. 그러므로, LiFePO4 양극 재료로 제조 된 리튬 이온 배터리는 상당히 저렴해야한다. 또 다른 특징은 환경 오염이 없다는 것입니다.

충전식 배터리의 요구 사항은 고용량, 고출력 전압, 우수한 충 방전 사이클 성능, 안정적인 출력 전압, 고전류 충 방전, 전기 화학적 안정성 및 사용 중 안전성 (과충전, 과방 전 및 단락 없음)입니다. (부적절한 작동으로 인한 연소 또는 폭발), 넓은 작동 온도 범위, 무독성 또는 독성이 적으며 환경 오염이 없습니다. LiFePO4를 양극으로 사용하는 리튬 인산 철 배터리는 이러한 성능 요구 사항, 특히 큰 방전 속도 방전 (5-10C 방전), 안정적인 방전 전압, 안전 (비 연소, 비 폭발) 및 수명 (사이클)에서 우수합니다. ). 가장 오염이없는 환경입니다. 현재 최고의 고전류 출력 전력 배터리입니다.

구조와 작동 원리

LiFePO4는 배터리의 양극으로 사용됩니다. 알루미늄 포일은 배터리의 양극에 연결된다. 중합체 분리기는 중간에있다. 양극과 음극을 분리하지만 리튬 이온 Li는 통과 할 수 있지만 전자는 통과 할 수 없습니다. 오른쪽은 탄소 (흑연)로 구성되어 있습니다. 배터리의 음극은 구리 포일에 의해 배터리의 음극에 연결된다. 배터리의 전해질은 배터리의 상단과 하단 사이에 있으며 배터리는 금속 케이스로 밀봉되어 있습니다.

LiFePO4 배터리가 충전 될 때, 양극의 리튬 이온 Li는 중합체 분리기를 통해 음극으로 이동하고; 방전 동안, 음극의 리튬 이온 Li는 세퍼레이터를 통해 양극으로 이동한다. 리튬 이온 배터리는 충전 및 방전 중에 리튬 이온이 앞뒤로 이동하기 때문에 명명됩니다.

주요 성능

LiFePO4 배터리의 공칭 전압은 3.2V이고, 종단 충전 전압은 3.6V이며, 종단 방전 전압은 2.0V입니다. 다양한 제조업체에서 사용하는 양극 및 음극 재료와 전해질 재료의 품질과 기술이 다르기 때문에 성능이 다소 다릅니다. 예를 들어, 동일한 유형의 배터리 (동일한 패키지의 표준 배터리)의 용량은 상당히 다릅니다 (10 % ~ 20 %).

다른 공장에서 생산 된 리튬 인산 철 배터리는 다양한 성능 매개 변수에 약간의 차이가있을 것입니다. 또한 배터리 내부 저항, 자체 방전 속도, 충전 및 방전 온도 등과 같은 일부 배터리 성능은 표시되지 않습니다.

lithium 리튬 인산 철 배터리의 용량은 큰 차이가 있으며 몇 ~ 수 밀리 암페어 시간의 작은 분수, 중간 크기의 수십 밀리 암페어 시간 및 수백 밀리 암페어 시간의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다 . 배터리 유형에 따라 유사한 매개 변수에 약간의 차이가 있습니다.

제로 전압 테스트로 과방 전 :

STL18650 (1100mAh) 리튬 철 인산 전원 배터리는 제로 전압으로 테스트되었습니다. 테스트 조건 : 1100mAh 충전의 STL18650 배터리는 0.5C의 충전 속도로 완전히 충전 된 다음 1.0C의 방전 속도로 0C의 배터리 전압으로 방전됩니다. 0V에 배치 된 배터리는 두 그룹으로 나뉩니다. 한 그룹은 7 일 동안, 다른 그룹은 30 일 동안 저장됩니다. 저장 기간이 만료되면 0.5C 충전 속도로 완전히 충전 된 다음 1.0C로 방전됩니다. 마지막으로 두 제로 전압 저장 기간의 차이를 비교하십시오.

테스트 결과 7 일 동안 제로 전압 저장 후 배터리가 누출되지 않고 100 % 용량으로 우수한 성능을 발휘합니다. 30 일 동안 보관 한 후에는 용량이 98 % 인 누출 및 우수한 성능이 없습니다. 30 일 보관 후 배터리는 3 번의 충전 및 방전주기가 적용됩니다. 용량이 100 %로 복원되었습니다.

이 테스트는 리튬 인산 철 배터리가 과방 전되어 (0V에서 0V까지) 일정 시간 동안 저장 되어도 배터리가 누출되거나 손상되지 않음을 보여줍니다. 이것은 다른 유형의 리튬 이온 배터리에서는 볼 수없는 특성입니다.

이점

1. 안전 성능 향상

리튬 인산 철 결정의 PO 결합은 안정적이며 분해하기 어렵다. 고온 또는 과충전에서도 리튬 코발 테이트와 같은 강력한 산화 물질을 붕괴시키고 열을 발생시키지 않으므로 안전성이 우수합니다. 일부 보고서에 따르면 실제 수술에서 침술 또는 단락 실험 중에 소량의 샘플이 연소 된 것으로 밝혀졌지만 폭발 사건은 발생하지 않았다. 그러나, 과충전 실험에서는 방전 전압을 여러 번 초과 한 고전압 충전이 사용되었다. 폭발 현상. 그럼에도 불구하고, 과충전 안전성은 일반 액체 전해질 리튬 코발 테이트 배터리에 비해 크게 개선되었습니다.

2, 삶의 개선

锂 인산 철 리튬 전지는 인산 철 리튬을 양극 재료로 사용한 리튬 이온 배터리를 의미합니다.

수명이 긴 납산 배터리의 수명은 약 300 배이고 최대 값은 500 배이며, 리튬 인산 철 배터리는 수명이 2000 배 이상이며 최대 2000 배까지 사용할 수 있습니다. 표준 충전 (5 시간 요금). 동일한 품질의 납산 배터리는 "신규 반년, 오래된 반년 및 반년의 유지 보수 및 유지 보수"이며, 최대 1 년에서 1.5 년까지 소요될 수 있으며 리튬 인산 철 배터리는 동일한 조건에서 사용됩니다. 이론적 수명은 7-8 년에 이릅니다. 종합하면 성능 가격 비는 이론적으로 납 축전지보다 4 배 이상 높습니다. 고전류 방전은 고전류 2C에서 빠르게 충전 및 방전 할 수 있습니다. 특수 충전기를 사용하면 1.5C 충전 후 1.5 분 이내에 배터리를 완전히 충전 할 수 있습니다. 시동 전류는 2C에 도달 할 수 있지만 납산 배터리는이 성능을 갖지 않습니다.

3, 좋은 고온 성능

lithium 인산 철 리튬의 최고 발열량은 350 ℃ ~ 500 ℃에 도달 할 수 있으며, 망간 산 리튬과 코발트 산 리튬은 200 ℃에 불과하다. 작동 온도 범위는 넓습니다 (-20C--75C). 인산 철 리튬의 고온 저항은 350 ℃ -500 ℃에 도달 할 수있는 반면, 망간 산 리튬 및 코발트 산 리튬은 약 200 ℃에 불과하다.

4. 대용량

∩ 충전식 배터리는 종종 완전히 충전 된 상태에서 작동하며 용량이 정격 용량 미만으로 빠르게 떨어집니다. 이 현상을 메모리 효과라고합니다. 니켈-금속 수 소화물 및 니켈-카드뮴 배터리와 같이 메모리가 있지만 인산 철 리튬 배터리에는이 현상이 없습니다. 배터리의 상태에 관계없이 재충전하기 전에 방전하지 않아도 그대로 사용할 수 있습니다.

6. 경량

동일한 사양 용량을 가진 리튬 인산 철 배터리의 부피는 납 배터리의 부피의 2/3이며, 무게는 납 배터리의 1/3입니다.

7. 환경 보호

锂 리튬 인산 철 배터리에는 일반적으로 중금속 및 희귀 금속 (니켈 금속 수소 배터리에 희귀 금속이 필요함), 무독성 (SGS 인증 통과), 무공해, 유럽 RoHS 규정을 준수하는 것으로 간주됩니다. 절대 녹색 환경 보호 배터리 인증서. 따라서, 업계가 리튬 배터리를 선호하는 이유는 주로 환경 보호 고려 사항입니다. 따라서 배터리는 10 년 5 년 계획 기간 동안 "863"국가 첨단 기술 개발 계획에 포함되었으며 국가의 주요 지원 및 격려 개발 프로젝트가되었습니다. 중국이 WTO에 진입함에 따라 중국 전기 자전거의 수출량은 빠르게 증가 할 것이며 유럽과 미국으로 들어오는 전기 자전거에는 무공해 배터리가 장착되어야했습니다.

그러나 일부 전문가들은 납산 배터리로 인한 환경 오염이 주로 기업의 불규칙한 생산 공정 및 재활용 공정에서 발생했다고 말했다. 같은 방식으로 리튬 배터리는 새로운 에너지 산업에 속하지만 중금속 오염 문제를 피할 수는 없습니다. 금속 재료를 가공 할 때 납, 비소, 카드뮴, 수은, 크롬 등이 먼지와 물로 방출 될 수 있습니다. 배터리 자체는 화학 물질이므로 두 가지 종류의 오염이있을 수 있습니다. 하나는 생산 엔지니어링의 프로세스 배설물 오염입니다. 다른 하나는 폐기 후 배터리 오염입니다.

iron 리튬 인산 철 배터리도 단점이 있습니다 : 예를 들어, 저온 성능 저하, 양극 재료의 낮은 탭 밀도, 동일한 용량의 리튬 인산 철 배터리는 리튬 코발 테이트와 같은 리튬 이온 배터리보다 크기 때문에 마이크로 배터리의 장점. 전원 배터리에 사용될 때, 리튬 배터리 인산 철 배터리는 다른 배터리와 마찬가지로 배터리 일관성 문제에 직면해야합니다.

리튬 인산 철 배터리

단점

재료가 응용 프로그램 및 개발 가능성이 있는지 여부와 장점에 중점을 두는 것 외에도 재료에 근본적인 결함이 있는지 여부가 더 중요합니다.

리튬 철 인산염은 현재 중국에서 전력 리튬 이온 배터리의 양극 재료로 널리 사용됩니다. 정부, 과학 연구 기관, 기업, 심지어 증권 회사의 시장 분석가들은이 물질에 대해 전력 리튬 이온 배터리의 개발 방향으로 낙관적입니다. 이 분석의 두 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 미국의 연구 개발 방향에 영향을받는 미국의 Valence 및 A123은 처음으로 리튬 철 인산염을 리튬 이온 배터리의 음극 재료로 사용했습니다. 둘째, 리튬 이온 배터리를위한 고온 사이클링 및 저장 성능이 우수한 리튬 망간 산염 물질의 국내 제조는 없었다. 그러나 인산 철 리튬도 무시할 수없는 근본적인 결함이 있습니다. 요약하면 다음과 같은 사항이 있습니다.

1. 인산 철 리튬을 제조하는 동안의 소결 공정 동안, 고온 환원 분위기 하에서 산화철이 원소 철로 환원 될 가능성이있다. 철분은 배터리에서 가장 금기 물질 인 배터리의 미세 단락을 유발할 수 있습니다. 이것이 일본이이 물질을 전력 리튬 이온 배터리의 양극 물질로 사용하지 않은 주된 이유이기도합니다.

2. 리튬 인산 철은 낮은 탭 밀도 및 소형 밀도와 같은 일부 성능 결함이있어 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 낮습니다. 나노 크기이고 탄소 코팅되어 있어도 저온 성능은 좋지 않습니다.이 문제는 해결되지 않습니다. Argonne National Laboratory의 에너지 저장 시스템 센터 책임자 인 Don Hillebrand 박사는 리튬 철 인산염 배터리의 저온 성능에 대해 이야기했습니다. 그는 리튬 인산 철 리튬 이온 배터리의 테스트 결과를 설명하기 위해 끔찍한 것을 사용했습니다. 전기 자동차는 운전할 수 없습니다 (0 ° C 미만). 일부 제조업체는 리튬 인산 철 배터리가 저온에서 우수한 용량 유지율을 가지고 있다고 주장하지만, 방전 전류가 작고 방전 차단 전압이 매우 낮은 상태에 있습니다. 이 상황에서는 장치가 작동을 시작할 수 없습니다.

3. 재료 준비 비용과 배터리 제조 비용이 높고 배터리 수율이 낮으며 일관성이 떨어집니다. 나노 리튬 인산 철 및 탄소 코팅은 재료의 전기 화학적 성능을 향상 시켰지만, 에너지 밀도 감소, 합성 비용 증가, 전극 처리 성능 저하, 열악한 환경 요구 사항과 같은 다른 문제도 발생합니다. 리튬 인산 철의 화학 원소 Li, Fe 및 P는 풍부하고 비용은 낮지 만, 제조 된 리튬 인산 철 제품의 비용은 낮지 않다. 이전의 R & D 비용이 제거 되더라도 재료의 공정 비용과 더 높은 비용 배터리 준비 비용은 최종 에너지 저장 단위 비용을 더 높입니다.

4. 제품 일관성이 좋지 않습니다. 현재, 국내 리튬 인산 철 재료 공장은이 문제를 해결할 수 없다. 재료 준비의 관점에서, 인산 철 리튬의 합성 반응은 복잡한 불균일 반응이다. 고체상 인산염, 산화철 및 리튬 염, 탄소 전구체 및 환원성 기상이 있습니다. 이 복잡한 반응 공정에서는 반응의 일관성을 보장하기가 어렵습니다.

5. 지적 재산권 문제. 현재 리튬 인산 철의 기본 특허는 텍사스 대학교가 소유하고 있으며 탄소 코팅 특허는 캐나다인에 의해 적용됩니다. 이 두 가지 기본 특허는 무시할 수 없습니다. 특허 로열티를 비용으로 계산하면 제품 비용이 추가로 증가합니다.

또한 리튬 이온 배터리의 연구 개발 및 생산 경험을 통해 일본은 최초의 상용화 된 리튬 이온 배터리 국가이며 항상 고급 리튬 이온 배터리 시장을 점유하고 있습니다. 미국이 기본적인 연구를 주도하고 있지만 지금까지 대형 리튬 이온 배터리 제조업체는 없었습니다. 따라서 일본의 리튬 이온 배터리 용 양극 재료로 개질 된 리튬 망간 산염을 선택하는 것이 더 합리적입니다. 미국에서도 리튬 이온 배터리의 양극 재료로 인산 철 리튬과 망간 산 리튬을 사용하는 제조업체는 똑같이 나뉩니다. 연방 정부는 또한이 두 시스템의 개발을 지원합니다. 리튬 인산 철의 상기 문제점을 고려하여, 새로운 에너지 차량 등의 분야에서 리튬 이온 배터리를위한 양극 재료로서 널리 사용하기는 어렵다. 리튬 망간 산염의 고온 사이클링 및 열악한 저장 성능의 문제를 저비용 및 고속 성능의 장점으로 해결할 수 있다면, 파워 리튬 이온 배터리에서의 응용은 큰 잠재력을 가질 것이다.