فوسفات الحديد الليثيوم هي مادة قطب بطارية ليثيوم أيون ذات المواد الكيميائية الصيغة LiFePO4 (LFP باختصار). يستخدم بشكل أساسي في مختلف بطاريات الليثيوم أيون. منذ أن كشفت شركة NTT اليابانية لأول مرة عن مادة الكاثود لبطارية الليثيوم ذات البنية الزبرجدية AyMPO4 (A هو معدن قلوي، M هو مزيج من CoFe: LiFeCoPO4) في عام 1996، في عام 1997، قام جون ب. جود إنوف وآخرون من جامعة تكساس في أوستن في الولايات المتحدة بدراسة كما أبلغت المجموعة لاحقًا عن النقل العكسي لليثيوم داخل وخارج LiFePO4.
نشرت الولايات المتحدة واليابان بالصدفة بنية الزبرجد الزيتوني (LiMPO4)، والتي جذبت اهتمامًا كبيرًا لهذه المادة وتسببت في إجراء أبحاث مكثفة وتطور سريع. بالمقارنة مع مواد الكاثود الثانوية التقليدية لبطارية الليثيوم أيون، وهيكل الإسبنيل LiMn2O4 والهيكل الطبقي LiCoO2، فإن LiMPO4 لديه مصادر أوسع للمواد الخام، وهو أرخص وليس له أي تلوث بيئي.
الخصائص الأساسية لفوسفات الحديد الليثيوم
يعد فوسفات حديد الليثيوم حاليًا أكثر مواد الكاثود الواعدة في بطاريات الليثيوم أيون. بالمقارنة مع مواد الكاثود الأخرى، فهي تتمتع بالمزايا التالية:
(1) منخفضة التكلفة. بالمقارنة مع مواد الكاثود الثلاثي، فإن فوسفات حديد الليثيوم رخيص نسبيًا، وله عملية إنتاج بسيطة نسبيًا، ولا يسبب سوى القليل من التلوث البيئي.
(2) ال بطارية لديه سلامة جيدة. لا تحتوي مواد فوسفات الحديد الليثيوم على عناصر معدنية ثقيلة ضارة بجسم الإنسان. لن تنتج غازات ضارة عند درجات حرارة عالية، ولن تنتج غازات سامة أو رذاذًا حمضيًا أو مواد أخرى.
(3) دورة حياة طويلة. عادة ما تكون دورة حياة فوسفات حديد الليثيوم أكثر من 500 مرة، وهو أعلى بكثير من دورة الليثيوم الثلاثي، ويمكن أن تصل مدة خدمته إلى أكثر من 10 سنوات.
(4) الأداء الكهروكيميائي الممتاز. تتمتع مواد فوسفات الحديد الليثيوم بأداء دورة عالي ومعدل أداء، ويمكن أن تحافظ على أداء جيد في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة.
عندما يحدث ماس كهربائي في مادة كاثود فوسفات حديد الليثيوم، فلن يسبب حالات خطيرة مثل الاحتراق أو الانفجار، ولن ينتج غازات سامة أو رذاذ حمضي أو غازات سامة ومواد أخرى.
طريقة تحضير فوسفات الحديد الليثيوم
في الوقت الحاضر، تشمل طرق تحضير مواد فوسفات حديد الليثيوم بشكل أساسي تخليق المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية، والترسيب المشترك، والسول جل، والطرق الحرارية المائية.
طريقة تركيب المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية: تشير طريقة تركيب الطور الصلب ذو درجة الحرارة العالية إلى تحضير مواد فوسفات حديد الليثيوم ذات شكل محدد من خلال التحكم في ظروف التفاعل في درجة حرارة الغرفة. المبدأ الرئيسي لتخليق الطور الصلب ذو درجة الحرارة العالية هو استخدام الحرارة المنبعثة عندما يتحلل مصدر الكربون لإجراء التفاعل عند درجة حرارة منخفضة.
من خلال التحكم في ظروف التفاعل، والشكل، حجم الجسيماتيمكن التحكم في بلورة وبنية بلورة فوسفات الحديد الليثيوم، وبالتالي إعداد فوسفات الحديد الليثيوم بأشكال بلورية وأشكال بلورية مختلفة.
والميزة هي أن تكلفة الإنتاج منخفضة، ولكن طريقة تركيب المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية لديها العديد من أوجه القصور. على سبيل المثال، إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فسوف تنمو حبيبات المادة، مما يؤدي إلى ضعف أداء المادة؛ سعر المواد الخام مرتفع، وتكلفة الإنتاج كبيرة؛ أثناء عملية التحضير، من السهل توليد النفايات مثل النفايات السائلة وبقايا النفايات.
طريقة هطول الأمطار: تخلط المواد الخام بالتساوي وبنسبة معينة وتضاف إليها الإضافات المناسبة وتتفاعل عند درجة حرارة معينة وتصفى وتغسل وتجفف للحصول على منتجات فوسفات الحديد الليثيوم. تتميز طريقة الترسيب المشترك بعملية إنتاج بسيطة ويمكنها التحكم في شكل المنتج وحجم جسيماته. وهي حاليًا طريقة التحضير الأكثر استخدامًا. أداء منتجات فوسفات حديد الليثيوم المحضرة بطريقة الترسيب المشترك مستقر نسبيًا.
طريقة سول جل: يشير أولاً إلى خلط مصدر الكربون ومصدر الألومنيوم ثم إضافتهما إلى المذيب العضوي للتحريك ورفع درجة الحرارة حتى تصل إلى درجة حرارة محددة مسبقاً؛ ثم يتم ترشيح المحلول وغسله وتجفيفه وتفريقه وطحنه عند درجة حرارة منخفضة لتحضير فوسفات الحديد النانوي. الليثيوم. يحتوي فوسفات حديد الليثيوم المُصنَّع بهذه الطريقة على حبيبات دقيقة وبلورة عالية وأداء مستقر. ومع ذلك، فإن طريقة sol-gel لها تكلفة عالية، وعملية إعداد معقدة، ومشاكل خطيرة في تكتل المنتج.
مزايا وعيوب استخدام مواد فوسفات الحديد الليثيوم لإنتاج بطاريات الطاقة
مزايا مواد فوسفات حديد الليثيوم: تتميز مواد فوسفات حديد الليثيوم بمزايا السعة المحددة الكبيرة، وعمر الدورة الطويل، ومنصة الجهد المنخفض، والسلامة العالية، والقدرة على التكيف البيئي القوي. تعتبر واحدة من أكثر مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون الواعدة. . بالإضافة إلى ذلك، فهي تتميز أيضًا بخصائص السعر المنخفض والمصدر الواسع.
مشاكل مواد فوسفات الحديد الليثيوم: تتشكل بلورات حمض الفوسفوريك بسهولة أثناء عملية تحضير مواد فوسفات الحديد الليثيوم مما يقلل من موصليتها؛ يتغير التركيب البلوري لفوسفات حديد الليثيوم بشكل كبير عند درجات الحرارة المرتفعة ويكون ثباته ضعيفًا؛ وهو عرضة لتغيرات الحجم، مما يؤدي إلى توهين القدرة؛ والأحماض العضوية الناتجة عن تفاعلات الإلكتروليت يمكن أن تؤثر أيضًا سلبًا على أداء البطارية.
تدابير لتحسين أداء مواد فوسفات حديد الليثيوم: يعد تحسين المساحة السطحية المحددة وحجم الجسيمات لمواد فوسفات حديد الليثيوم من التدابير المهمة لتحسين الأداء الكهروكيميائي لمواد فوسفات حديد الليثيوم. تظهر الأبحاث أنه مع زيادة حجم الجسيمات ومساحة السطح المحددة، يزداد أيضًا الأداء الكهروكيميائي لمواد فوسفات حديد الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، يعد تحسين المنحل بالكهرباء والموثق أيضًا وسيلة مهمة لتحسين أداء بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم.
يتزايد الطلب في سوق فوسفات الحديد الليثيوم بسرعة
تستمر سيارات الطاقة الجديدة في الازدهار
تدخل صناعة مركبات الطاقة الجديدة على مستوى العالم مرحلة جديدة من التطور المتسارع، الأمر الذي لا يضخ زخمًا جديدًا قويًا في النمو الاقتصادي لمختلف البلدان فحسب، بل يساعد أيضًا في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، والتعامل مع تحديات تغير المناخ، وتحسين البيئة البيئية العالمية. .
اعتبارًا من عام 2021، يجب ألا يزيد متوسط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لسيارات الركاب الجديدة في الاتحاد الأوروبي عن 95 جرامًا لكل كيلومتر. وبحلول عامي 2025 و2030، سيتعين تخفيضها بمقدار 15% و37.5% على التوالي على هذا الأساس.
في 31 مارس، أعلنت إدارة بايدن في الولايات المتحدة أنها ستخصص $174 مليار دولار أمريكي لدعم تطوير صناعة مركبات الطاقة الجديدة، منها $100 مليار دولار سيتم استخدامها مباشرة لدعم المستهلكين. ويخطط مجلس الدولة الصيني أنه بحلول عام 2025، ستمثل مبيعات سيارات الطاقة الجديدة حوالي 20% من إجمالي مبيعات السيارات الجديدة. (مصدر التقرير: Future Think Tank)
مستقبل سوق تخزين الطاقة واعد
انطلاقًا من درجة تسويق التكنولوجيا في نهاية عام 2020، لا تزال بطاريات الليثيوم هي تكنولوجيا تخزين الطاقة الجديدة الأكثر نضجًا مع أعلى نسبة تطبيق (حوالي 90%).
تشير "الآراء التوجيهية لتخزين الطاقة الجديدة" إلى أنه من 3.28 جيجاوات في نهاية عام 2020 إلى 30 جيجاوات في عام 2025، في السنوات الخمس المقبلة (2020 ~ 2025)، سيتوسع حجم سوق تخزين الطاقة الجديدة في بلدي إلى 10 أضعاف المستوى الحالي، بمتوسط معدل نمو سنوي مركب يزيد عن 55%.
وفقًا لتوقعات CNESA، سيظل معدل النمو المركب لتخزين الطاقة الكهروكيميائية عند حوالي 57% في ظل السيناريوهات المحافظة، وسيتجاوز 70% في ظل السيناريوهات المثالية، أي أن إجمالي سعة تخزين الطاقة المركبة ستصل إلى 35.5 جيجاوات و55.8 جيجاوات على التوالي بحلول عام 2025.
مع تطور سيناريوهات الاستخدام مثل توليد الطاقة الجديدة وتخزين الطاقة وتخزين الطاقة المنزلية، أصبحت ميزة التكلفة لفوسفات حديد الليثيوم أكثر بروزًا. من المتوقع أن يفتح انخفاض تكلفة بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد سوقًا ضخمًا لاستبدال بطاريات الرصاص الحمضية.
إن موارد الفوسفور والحديد لا غنى عنها، وتكلفة التكامل هي الأهم
يزيد فوسفات حديد الليثيوم من الطلب على فوسفات الحديد. ويتوازن العرض والطلب على فوسفات الحديد على المدى القصير بشكل وثيق، كما أن العرض على المدى الطويل ضعيف. وفقًا للإحصاءات الصادرة عن Baichuan Yingfu، اعتبارًا من سبتمبر 2021، تبلغ الطاقة الإنتاجية لفوسفات الحديد في بلدي 356000 طن، ويستمر معدل تشغيل الشركات في الزيادة، ويتوازن العرض والطلب بإحكام. بافتراض أنه سيتم تحقيق 80% من الطلب المستقبلي على فوسفات حديد الليثيوم من خلال مسار معالجة فوسفات الحديد، فإن الطلب العالمي على فوسفات حديد الليثيوم البالغ 2.724 مليون طن في عام 2025 سيتوافق مع حوالي 2.09 مليون طن من الطلب على فوسفات الحديد. وبحسب خطة الطاقة الإنتاجية للفوسفات الحديدي اعتبارا من سبتمبر 2021 ستتجاوز 300 طن. مليون طن، نتوقع إمدادات كافية من فوسفات الحديد على المدى الطويل.
مصدر الحديد: تتمتع شركات ثاني أكسيد التيتانيوم بميزة مصدر الحديد عند دخول أعمال فوسفات الحديد الليثيوم
تمتلك شركات ثاني أكسيد التيتانيوم مصادر حديد خالية من التكلفة وتتمتع بتأثيرات تآزرية. كبريتات الحديدوز، وهي منتج ثانوي لمشروع ثاني أكسيد التيتانيوم لحمض الكبريتيك، هي مصدر الحديد في المواد الخام لإنتاج فوسفات الحديد الليثيوم. إنتاج طن واحد من ثاني أكسيد التيتانيوم يمكن أن ينتج حوالي 3 أطنان من كبريتات الحديدوز. من الصعب معالجة كمية كبيرة من النفايات الصلبة لكبريتات الحديدوز. يؤدي التكديس والتخلص إلى مشاكل التلوث البيئي وإهدار الموارد. بعد المعالجة المسبقة، يمكن استخدام النفايات الصلبة من كبريتات الحديدوز لإنتاج فوسفات الحديد من فئة البطاريات، ثم إنتاج مواد بطارية فوسفات حديد الليثيوم، مما يحسن استخدام الموارد، ويقلل من تكلفة المواد الخام لإنتاج فوسفات حديد الليثيوم، وله تأثيرات تآزرية كبيرة. . تم حسابه على أساس متوسط سعر سوق المواد الخام في 21H1، يمكن أن يوفر توريد مصادر الحديد 1676 يوانًا لكل طن من التكلفة مقارنة بمؤسسات الاستعانة بمصادر خارجية لمصادر الحديد. نظرًا للفتح التدريجي لمسار معالجة كبريتات الحديدوز لإعداد مواد بطارية فوسفات الحديد الليثيوم، فقد أتاح فرصًا لصناعة ثاني أكسيد التيتانيوم بأكملها. وقد استبعدت بعض الشركات منتجات كبريتات الحديدوز المنقاة، بينما استفادت شركات أخرى من مزايا مواردها لاغتنام الفرصة لدخول بطاريات الطاقة الجديدة. مجال المواد.
مصدر الفوسفور: تتمتع شركات الكيماويات الفوسفورية بمزايا من حيث التكلفة عند دخولها صناعة فوسفات الحديد الليثيوم
تتمتع شركات توريد مصادر الفوسفور بمزايا أكبر من حيث التكلفة. وفقًا لحساب متوسط سعر السوق في 21H1، إذا تم شراء حمض الفوسفوريك عالي النقاء 85% كمصدر للفوسفور، فإن تكلفة مصدر الفوسفور للطن الواحد من فوسفات حديد الليثيوم تبلغ حوالي 4124 يوانًا. بالنسبة لمؤسسات موارد صخور الفوسفات التي تستخدم تكنولوجيا التنقية الرطبة لإنتاج حامض الفوسفوريك بنفسها، تبلغ تكلفة الطن تكلفة مصدر الفوسفور لكل طن من فوسفات الحديد الليثيوم حوالي 1989 يوان/طن. تتمتع شركات فوسفات الحديد الليثيوم التي توفر مصادر الفوسفور الخاصة بها بميزة التكلفة بحوالي 2135 يوان/طن. بالمقارنة مع شركات ثاني أكسيد التيتانيوم التي توفر مصادر الحديد، فهي تتمتع بميزة تكلفة أكبر.
أدى فوسفات حديد الليثيوم إلى زيادة القيمة المضافة لموارد الفوسفور بشكل كبير. وفي مجال الأسمدة الزراعية التقليدية، يتطلب طن واحد من الأسمدة الزراعية فوسفات أحادي الأمونيوم حوالي 1.75 طن من صخور الفوسفات، ويمكن للطن الواحد من صخور الفوسفات أن يحقق ربحًا يبلغ حوالي 172 يوانًا. يبلغ استهلاك الوحدة من خام فوسفات حديد الليثيوم حوالي 2.26 طن. وفقًا لمتوسط سعر السوق في 21H1، يبلغ ربح الصناعة للطن الواحد من فوسفات الحديد الليثيوم حوالي 4439 يوانًا، لذا فإن الطن الواحد من خام الفوسفات يتوافق مع هامش ربح قدره 1964 يوانًا. يتمتع فوسفات الحديد الليثيوم بقيمة مضافة عالية ويمكن أن يحقق أكثر من 10 أضعاف دخل الأسمدة الزراعية، مما يفتح نافذة لتحسين التقييم لشركات الفوسفور الكيميائية.
تمتلك شركات الكيماويات الفوسفورية موارد الفسفور وتراكم التكنولوجيا. يعد حمض الفوسفوريك عالي النقاء للبطاريات أو فوسفات أحادي الأمونيوم الصناعي مادة مصدر مهمة للفوسفور في إنتاج فوسفات حديد الليثيوم. تتمتع الشركات الكيميائية التقليدية للفوسفور بمزايا موارد الفوسفور؛ على المدى القصير، الشركات التي لديها قدرة إنتاج فوسفات الأمونيوم عالية النقاء / فوسفات الأمونيوم الصناعي سيكون لديها فوسفات الحديد مصدر الفوسفور المباشر للليثيوم، وإتقان الموارد والمزايا التكنولوجية.