ومع التعديل المستمر لهيكل الطاقة العالمي والتطور السريع للطاقة المتجددة،تخزين الطاقةأصبحت التكنولوجيا تدريجيًا بمثابة دعم مهم لتحويل الطاقة ودفع التنمية الاقتصادية المستقبلية.
مقدمة لتكنولوجيا بطارية تخزين الطاقة
▲تحويل الطاقة وتخزينها واستخدامها
▲تصنيف وتطبيق تقنيات تخزين الطاقة
▲نظرة عامة على بطاريات تخزين الطاقة
▲مبدأ العمل وتكوين بطاريات تخزين الطاقة
▲مؤشرات الأداء والمصطلحات ذات الصلة ببطاريات تخزين الطاقة
الطاقة هي القوة الأساسية التي تحرك العالم ومورد أساسي يعتمد عليه المجتمع البشري في التنمية. من الاستخدام الأولي للنار إلى الكهرباء اليوم، أدى تطوير واستخدام الطاقة إلى دفع تقدم الحضارة وتشكيل بنيتنا الاجتماعية الحالية.
مع النمو المستمر للطلب العالمي على الطاقة والتطور السريع للطاقة المتجددة، ظهرت تكنولوجيا بطاريات تخزين الطاقة وأصبحت ركيزة أساسية لقطاع الطاقة. يمكن لبطاريات تخزين الطاقة تخزين مصادر الطاقة المتقطعة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية بشكل فعال وإطلاقها خلال فترات ذروة الطلب، مما يضمن استقرار إمدادات الطاقة. لا تقلل هذه التكنولوجيا من الاعتماد على الوقود الأحفوري التقليدي فحسب، بل توفر أيضًا ضمانات مهمة لتحقيق أنظمة طاقة منخفضة-من الكربون ومستدامة.
إن تطور تكنولوجيا بطاريات تخزين الطاقة، بدءًا من بطاريات الرصاص الحمضية- التقليدية إلى بطاريات الليثيوم-أيون الحديثة، ومن ثم إلى بطاريات الحالة الصلبة- الناشئة وبطاريات أيون الصوديوم-، يخترق باستمرار الاختناقات التكنولوجية. من خلال تحسين كثافة الطاقة، وإطالة العمر الافتراضي، وتعزيز السلامة، أظهرت بطاريات تخزين الطاقة آفاقًا واسعة للتطبيق في مجالات مثل تخزين الطاقة المنزلية، والنقل، وتنظيم الشبكة. ويمكن القول أن تكنولوجيا بطاريات تخزين الطاقة ليست فقط مفتاح التحول الحالي لهيكل الطاقة ولكنها أيضًا جوهر الشبكات الذكية المستقبلية وأنظمة الطاقة الموزعة.
تكنولوجيا تخزين طاقة البطارية المعتمدة على الليثيوم-.
▲هيكل ومبدأ عمل بطاريات الليثيوم-أيون
▲مواد كاثود بطارية الليثيوم-أيون
▲مواد أنود بطارية الليثيوم-أيون
▲تصميم وتصنيع بطاريات الليثيوم-أيون
في عام 1970، أنشأ MS Whittingham من شركة ExxonMobil أول بطارية ليثيوم- أيون. استخدم ثاني كبريتيد التيتانيوم والليثيوم المعدني كأقطاب كهربائية إيجابية وسلبية، على التوالي. أثناء الشحن والتفريغ، يتم استهلاك الليثيوم المعدني بشكل مستمر وتوليده عند القطب السالب، بينما يقوم ثاني كبريتيد التيتانيوم بإدخال واستخلاص أيونات الليثيوم بشكل مستمر عند القطب الموجب. يمكن عكس هاتين العمليتين طوال عمر البطارية، وبالتالي يتم تكوين بطارية ليثيوم- أيون ثانوية بجهد 2 فولت. في عام 1982، اكتشف آر آر أغاروال وجيه آر سلمان من معهد إلينوي للتكنولوجيا أن أيونات الليثيوم لها خاصية الإقحام إلى الجرافيت، وهي عملية سريعة وقابلة للعكس... منذ بدايتها، خضعت بطاريات أيون الليثيوم- لعملية بحث وتطوير وتطور. بفضل أدائها المتفوق والمريح، فإنها تخترق بشكل متزايد مجالات مختلفة، بدءًا من منتجات 3C مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وحتى قطاعات الطاقة مثل السيارات الكهربائية -ومجالات تخزين الطاقة واسعة النطاق مثل الخلايا الكهروضوئية وطاقة الرياح، مما يؤثر بشكل كبير على الحياة الاجتماعية.
ما هي البطارية؟
▲تاريخ تطور البطارية
▲مقدمة عن بطاريات الليثيوم-أيون
▲مميزات بطاريات الليثيوم-أيون
▲المواد الأساسية في بطاريات أيون الليثيوم-.
البطارية هي نوع من مصدر الطاقة. تنقسم مصادر الطاقة بشكل عام إلى مصادر طاقة فيزيائية ومصادر طاقة كيميائية. تشمل مصادر الطاقة المادية أجهزة توليد الطاقة الشمسية، وأجهزة توليد الطاقة الحرارية، والمولدات الحرارية والكهرومائية، وما إلى ذلك؛ بينما تشير مصادر الطاقة الكيميائية إلى أجهزة توليد الطاقة التي يمكنها تحويل الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية، أي البطاريات الكيميائية بالمعنى العام، أو البطاريات ببساطة.
تطورت أنظمة البطاريات عبر أربعة أجيال: بطاريات الرصاص-الحمضية، وبطاريات النيكل-الكادميوم، وبطاريات النيكل-هيدريد المعدن، وبطاريات أيون الليثيوم-. لقد تحسن أداء البطارية بشكل مستمر، وتعمق الفهم البشري لأنظمة البطاريات. حاليًا، تعد بطاريات الليثيوم-أيون أكثر أنظمة البطاريات القابلة لإعادة الشحن كفاءة وكفاءة في استهلاك الطاقة-، وتمثل أعلى مستوى من أبحاث وتقنيات البطاريات البشرية.
تاريخ البحث والتطوير لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲تاريخ تطور مواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲حالة براءة اختراع فوسفات الحديد الليثيوم
▲الدراسات التركيبية والأداءية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
فوسفات حديد الليثيوم (LiFeP، LFP، المعروف أيضًا باسم فوسفات حديد الليثيوم أو فوسفات حديد الليثيوم) عبارة عن مادة كاثودية تستخدم في بطاريات أيون الليثيوم-. ويتميز بغياب العناصر الثمينة مثل الكوبالت والنيكل، وانخفاض أسعار المواد الخام، ووفرة موارد الفوسفور والليثيوم والحديد في القشرة الأرضية، والتي يمكن أن تلبي طلب السوق الذي يتجاوز مليون طن سنويا. باعتباره مادة كاثود، يتمتع فوسفات حديد الليثيوم بجهد تشغيل معتدل (3.2 فولت)، وقدرة محددة عالية (170 مللي أمبير · ساعة / جم)، وطاقة تفريغ عالية، وقدرة شحن سريعة، وعمر دورة طويل، واستقرار جيد تحت درجات الحرارة العالية وبيئات الحرارة العالية.
معدات الإنتاج المستخدمة في صناعة مواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲ متطلبات معدات الإنتاج:؛ معدات الخلط؛ معدات التجفيف؛ معدات التلبيد،؛ معدات التكسير؛ معدات الفحص؛ مولد النيتروجين، معدات التعبئة والتغليف.
عند استخدام مواد كاثود فوسفات حديد الليثيوم (LFP) في تصنيع بطاريات أيون الليثيوم-، تكون متطلبات نقائها وطورها وشوائبها صارمة للغاية. على سبيل المثال، عندما تصل درجة أكسدة الحديد ثنائي التكافؤ في LFP إلى 1%، يمكن أن تنخفض السعة المحددة بأكثر من 30%. وذلك لأن الحديد الثلاثي التكافؤ المولد حديثًا يغطي سطح LFP، ويشكل طبقة تفاعلية تمنع المزيد من التفاعلات الداخلية. إذا تم بالفعل أكسدة LFP، لا يمكن أن تسفر طرق التخفيض اللاحقة عن LFP لأن أيونات الليثيوم الموجودة في المواد الخام قد فقدت بالفعل.
تحضير مواد فوسفات حديد الليثيوم بطريقة أكسالات الحديدوز
▲مبدأ التوليف
▲المواد الخام الاصطناعية الرئيسية
▲عملية التوليف
▲أداء المواد الاصطناعية
تسمى عملية تصنيع فوسفات حديد الليثيوم باستخدام أكسالات الحديدوز كمادة خام بطريقة أكسالات الحديدوز (أو ببساطة طريقة الحديدوز). حاليًا، تعد طريقة أكسالات الحديدوز هي العملية والطريقة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصين، حيث يستخدمها أكثر من نصف المصنعين المحليين. مزاياها الرئيسية هي انخفاض تكاليف المواد الخام، وعملية بسيطة، وسهولة التحكم في نسب المكونات.
تحضير مواد فوسفات الحديد الليثيوم عن طريق الاختزال الكربوثيرمالي
▲مبدأ التوليف
▲المواد الخام الاصطناعية الرئيسية
▲عملية التوليف
▲أداء المواد الاصطناعية
من بين الشركات المصنعة التي تنتج مواد فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، تعد طريقة الاختزال الكربوثيرمال حاليًا ثاني أكثر التقنيات استخدامًا على نطاق واسع بعد طريقة أكسالات الحديدوز. المادة الخام الرئيسية هي الحديد الحديديك (Fe2PO4)، بما في ذلك فوسفات الحديد (Fe2PO4) وأكسيد الحديد (Fe2O3). أثناء التفاعل، يقوم الكربون (C) وأول أكسيد الكربون (C2O3) باختزال الحديد الحديديك (Fe2PO4) إلى حديد حديدي (Fe2+)، والذي يدخل بعد ذلك إلى الشبكة البلورية، مكونًا البنية البلورية لفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4).
تتمثل ميزة طريقة الاختزال الكربوثيرمال في أن أكسدة المواد الخام لا تحتاج إلى أخذها في الاعتبار أثناء المعالجة؛ يمكن استخدام طرق خلط مختلفة لمعالجة المواد الخام لتحقيق حالة التشتت المطلوبة. فقط في مرحلة درجة الحرارة المرتفعة يقوم الكربون باختزال حديد الحديديك إلى حديد حديدي، مكونًا فوسفات حديد الليثيوم، ومن هنا جاء اسم طريقة الاختزال الكربوثيرمال. تحقق طريقة التخفيض الكربوثيرمالي تخفيضًا بخطوة واحدة-، وتقلل من إنتاج الغاز، كما أنها مفيدة لتحسين الإنتاجية. وفي الوقت نفسه، تكون عملية التوليف بسيطة وسهلة التحكم، مما يؤدي إلى زيادة عدد الشركات التي تتبنى طريقة الاختزال الكربوثيرمال.
التحضير الحراري المائي لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲مبدأ التوليف
▲المواد الخام الاصطناعية الرئيسية
▲عملية التوليف
▲أداء المواد الاصطناعية
تعد الطريقة الحرارية المائية طريقة متقدمة نسبيًا لتحضير مواد كاثود فوسفات حديد الليثيوم. تستخدم عمليتها الرئيسية نظامًا حراريًا مائيًا فوق حرج، حيث يتم إذابة كبريتات الحديدوز وهيدروكسيد الليثيوم وحمض الفوسفوريك في الماء، وتسخين المحلول إلى أكثر من 100 درجة في بيئة مغلقة لتكوين محلول مائي -درجة حرارة عالية وضغط مرتفع-. يستمر التفاعل من خلال الانتشار الأيوني، مما يؤدي إلى توليد جزيئات بلورات فوسفات حديد الليثيوم. يتم بعد ذلك ترشيح مادة فوسفات حديد الليثيوم النقي، وتجفيفها، وتغليفها بالكربون - لتكوين مركب فوسفات حديد الليثيوم/الكربون.
طرق الاختبار والتحليل التقليدية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲تحليل التركيب الكيميائي وطرق الاختبار لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲طرق اختبار الخصائص الفيزيائية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲طرق اختبار الأداء الكهروكيميائي لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲ تقييم التطبيقات العملية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
بالنسبة لمواد فوسفات حديد الليثيوم (LFP)، يعد الاختبار تقنية أساسية، بل إنه أكثر أهمية من التحكم في عملية التوليف. بدون بيانات اختبار دقيقة ودقيقة، لا يمكن الحصول على ظروف عملية مستقرة، وبالتالي، لا يمكن إنتاج منتجات LFP المؤهلة التي تلبي متطلبات الاستخدام. يعد الاختبار الصارم للمواد أمرًا ضروريًا طوال عملية الإنتاج بأكملها، بدءًا من شراء المواد الخام وتركيبها وحتى تقييم المنتج النهائي. لذلك، يجب على أي وحدة تقوم بالبحث وإنتاج LFP أن تركز بشكل كبير على بناء نظام الاختبار الخاص بها. يعد استخدام معدات اختبار متطورة، وطرق اختبار صارمة، وموظفي اختبار مدربين جيدًا-شروطًا أساسية للشركة للحفاظ على مكانتها في الصناعة.
تحليل الخصائص المميزة الأخرى لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲تحليل الأداء الكهروكيميائي لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲تحليل مورفولوجي مجهري إلكتروني لمواد فوسفات حديد الليثيوم
▲الطاقة السطحية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲قياس ذوبان الحديد في مواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲الخصائص الطيفية لمواد فوسفات الحديد الليثيوم
في التطبيق العملي لمواد فوسفات حديد الليثيوم، بالإضافة إلى اختبارات الأداء الروتينية، من الضروري أيضًا قياس بعض الخصائص المحددة لتوفير مرجع لتقييم أداء المواد وعمليات تصنيع البطاريات. ومع تقدم التكنولوجيا، أصبح من الممكن الآن تحديد بعض المعلمات التي كان من الممكن قياسها سابقًا فقط باستخدام الخلايا الكاملة باستخدام طرق بسيطة. على سبيل المثال، يمكن الآن تقييم أداء دورة مواد فوسفات حديد الليثيوم، وخاصة أداء دورة الكربون، باستخدام خلايا معدنية مصممة خصيصًا، مما يبسط عملية القياس إلى حد كبير.
تكنولوجيا تصنيع البطاريات باستخدام مواد فوسفات الحديد الليثيوم
▲مواصفات تصميم نظام بطارية ليثيوم فوسفات الحديد
▲تقنية تحضير ملاط مادة فوسفات حديد الليثيوم
▲طلاء ملاط فوسفات الحديد الليثيوم
▲درفلة أقطاب فوسفات الحديد الليثيوم
▲ التحول والتقسيم
▲أمثلة أخرى لتصنيع البطاريات
بالنسبة لأي بطارية ليثيوم-أيون، فإن التصميم الأولي هو المهمة الأساسية. تتضمن أعمال التصميم تحديد عملية تصنيع بطارية أيون الليثيوم-. نظرًا لأن أداء البطارية يتم تحديده بشكل أساسي بواسطة الأقطاب الكهربائية، فإن تصميم القطب الكهربائي يعد جانبًا أساسيًا في عملية تصنيع البطارية. وينطبق هذا أيضًا على بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد.
مجالات التطبيق الرئيسية لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
▲تطبيقات بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد في أجهزة النقل الكهربائية
▲تطبيقات بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد في إمدادات الطاقة لتخزين الطاقة
▲تطبيقات بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد في الأدوات الكهربائية
▲تطبيقات بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد
يعتبر فوسفات حديد الليثيوم (LFP) بمثابة مادة الكاثود المستخدمة في بطاريات أيون الليثيوم-، وتتمثل أكبر ميزة لها في سلامتها العالية. كما أنه يتمتع بمزايا لا تتوفر في المواد الثلاثية لأكسيد منغنيز الليثيوم والنيكل-المنغنيز-الكوبالت، مثل دورة الحياة الطويلة، وتكلفة المواد المنخفضة، ومصادر المواد الخام الوفيرة. تتميز بطاريات LFP بجهد ثابت، وجهد تشغيل معتدل، وتوافق جيد مع أنظمة الإلكتروليت، وهي غير سامة، وليس لها أي تأثير على الذاكرة، ولا تلوث البيئة. يمكن أن تصل طاقتها المحددة إلى 100-130 واط ساعة/كجم، أي ما يعادل 0.3-5 مرات من بطاريات الرصاص-الحمضية و1.5 مرة من بطاريات النيكل-معدن هيدريد. ونظرًا لمزاياها العديدة، فهي تعتبر بطارية مثالية للسيارات الكهربائية وتخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وبطاريات احتياطية آمنة للاستخدام المنزلي.
Outlook لمواد الكاثود الأخرى لبطاريات أيون الليثيوم-.
▲مادة كاثود فوسفات الليثيوم فاناديوم -
▲مادة كاثود فوسفات منغنيز الليثيوم
▲مادة كاثود سيليكات حديد الليثيوم
▲ مادة كاثود بورات حديد الليثيوم
▲الليثيوم-مواد كاثود ذات طبقات غنية
أدى ظهور مواد فوسفات حديد الليثيوم (LFP) إلى وضع الأساس لعلم المواد للتطبيق واسع النطاق لبطاريات أيون الليثيوم-الكبيرة الحجم-.
وكما هو معروف، فإن سلامة بطاريات الليثيوم-أيون كانت دائمًا مشكلة أساسية وحاسمة تحد من تطور الصناعة. حتى في البلدان المتقدمة التي تتمتع بخصائص مادية مستقرة ومعدات معالجة متطورة، لا يمكن ضمان سلامة بطاريات أيونات الليثيوم- بشكل كامل. نظرًا للمستوى المنخفض نسبيًا حاليًا لمعالجة بطاريات الليثيوم-أيون في بلدي، فإن LFP مناسب تمامًا-للظروف الوطنية في بلدي، مما يؤدي إلى تحسين سلامة البطارية بشكل كبير.