Lithiumeisenphosphat ist ein Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien mit der chemisch Formel LiFePO4 (kurz LFP). Es wird hauptsächlich in verschiedenen Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Seit Japans NTT 1996 erstmals das Lithiumbatterie-Kathodenmaterial mit Olivinstruktur von AyMPO4 (A ist ein Alkalimetall, M ist eine Kombination aus CoFe: LiFeCoPO4) enthüllte, untersuchten John B. Goodenough und andere von der University of Texas in Austin in den USA 1997 die reversible Übertragung von Lithium in und aus LiFePO4.
Die USA und Japan veröffentlichten zufällig die Olivinstruktur (LiMPO4), was große Aufmerksamkeit auf dieses Material lenkte und umfangreiche Forschung und eine schnelle Entwicklung auslöste. Verglichen mit herkömmlichen Kathodenmaterialien für Sekundärbatterien mit Lithium-Ionen-Ionen, der Spinellstruktur LiMn2O4 und der Schichtstruktur LiCoO2, verfügt LiMPO4 über breitere Rohstoffquellen, ist billiger und verursacht keine Umweltverschmutzung.
Grundlegende Eigenschaften von Lithiumeisenphosphat
Lithiumeisenphosphat ist derzeit das vielversprechendste Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu anderen Kathodenmaterialien bietet es folgende Vorteile:
(1) Niedrige Kosten. Im Vergleich zu ternären Kathodenmaterialien ist Lithiumeisenphosphat relativ billig, hat einen relativ einfachen Herstellungsprozess und verursacht wenig Umweltverschmutzung.
(2) Die Batterie hat eine gute Sicherheit. Lithiumeisenphosphat-Materialien enthalten keine Schwermetallelemente, die für den menschlichen Körper schädlich sind. Sie produzieren bei hohen Temperaturen keine schädlichen Gase und auch keine giftigen Gase, Säurenebel und andere Substanzen.
(3) Lange Lebensdauer. Die Zyklenlebensdauer von Lithiumeisenphosphat beträgt normalerweise mehr als 500 Zyklen, was viel höher ist als die von ternärem Lithium, und seine Lebensdauer kann mehr als 10 Jahre erreichen.
(4) Hervorragende elektrochemische Leistung. Lithiumeisenphosphat-Materialien weisen eine hohe Zyklen- und Ratenleistung auf und können auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung aufrechterhalten.
Wenn im Kathodenmaterial aus Lithiumeisenphosphat ein Kurzschluss auftritt, kommt es weder zu gefährlichen Situationen wie Verbrennungen oder Explosionen, noch entstehen giftige Gase, Säurenebel oder andere Substanzen.
Herstellungsverfahren für Lithiumeisenphosphat
Zu den Herstellungsverfahren für Lithiumeisenphosphat-Materialien zählen gegenwärtig vor allem Hochtemperatur-Festphasensynthese, Kopräzipitation, Sol-Gel- und hydrothermale Verfahren.
Hochtemperatur-Festphasensynthesemethode: Die Methode der Hochtemperatur-Festphasensynthese bezieht sich auf die Herstellung von Lithiumeisenphosphatmaterialien mit spezifischer Morphologie durch Kontrolle der Reaktionsbedingungen bei Raumtemperatur. Das Hauptprinzip der Hochtemperatur-Festphasensynthese besteht darin, die bei der Zersetzung der Kohlenstoffquelle freigesetzte Wärme zu nutzen, um die Reaktion bei niedriger Temperatur durchzuführen.
Durch die Kontrolle der Reaktionsbedingungen, der Morphologie, Partikelgröße, Kristallinität und Kristallstruktur von Lithiumeisenphosphat können gesteuert werden, wodurch Lithiumeisenphosphat mit unterschiedlichen Morphologien und Kristallformen hergestellt werden kann.
Der Vorteil besteht darin, dass die Produktionskosten niedrig sind, aber die Methode der Hochtemperatur-Festphasensynthese weist viele Nachteile auf. Wenn beispielsweise die Temperatur zu hoch ist, wachsen die Materialkörner, was zu einer schlechten Materialleistung führt. Der Preis der Rohstoffe ist hoch und die Produktionskosten sind hoch. Während des Herstellungsprozesses entstehen leicht Abfälle wie Abfallflüssigkeiten und Abfallrückstände.
Niederschlagsmethode: Mischen Sie die Rohstoffe gleichmäßig in einem bestimmten Verhältnis, fügen Sie geeignete Zusatzstoffe hinzu, lassen Sie sie bei einer bestimmten Temperatur reagieren, filtern, waschen und trocknen Sie sie, um Lithiumeisenphosphatprodukte zu erhalten. Die Co-Präzipitationsmethode hat einen einfachen Produktionsprozess und kann die Morphologie und Partikelgröße des Produkts steuern. Es ist derzeit die am weitesten verbreitete Herstellungsmethode. Die Leistung von Lithiumeisenphosphatprodukten, die durch Co-Präzipitationsmethode hergestellt werden, ist relativ stabil.
Sol-Gel-Verfahren: bezieht sich auf das Mischen der Kohlenstoffquelle und der Aluminiumquelle und anschließendes Hinzufügen zu dem organischen Lösungsmittel zum Rühren und Erhöhen der Temperatur, bis eine vorgegebene Temperatur erreicht ist; dann wird die Lösung gefiltert und gewaschen, getrocknet, dispergiert und bei niedriger Temperatur gemahlen, um Nanoeisenphosphat herzustellen. Lithium. Das mit dieser Methode synthetisierte Lithiumeisenphosphat hat feine Körner, eine hohe Kristallinität und eine stabile Leistung. Die Sol-Gel-Methode ist jedoch teuer, der Herstellungsprozess kompliziert und es treten ernsthafte Probleme der Produktagglomeration auf.
Vor- und Nachteile der Verwendung von Lithiumeisenphosphat-Materialien zur Herstellung von Leistungsbatterien
Vorteile von Lithiumeisenphosphat-Materialien: Lithiumeisenphosphat-Materialien haben die Vorteile einer großen spezifischen Kapazität, einer langen Lebensdauer, einer Niederspannungsplattform, einer hohen Sicherheit und einer starken Umweltverträglichkeit. Sie gelten als eines der vielversprechendsten Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch einen niedrigen Preis und eine breite Bezugsquelle aus.
Probleme mit Lithiumeisenphosphat-Materialien: Während des Herstellungsprozesses von Lithiumeisenphosphat-Materialien bilden sich leicht Phosphorsäurekristalle, die deren Leitfähigkeit verringern. Die Kristallstruktur von Lithiumeisenphosphat verändert sich bei hohen Temperaturen stark und weist eine geringe Stabilität auf. Es neigt zu Volumenänderungen, was zu einer Kapazitätsminderung führt. Durch Elektrolytreaktionen entstehende organische Säuren können sich ebenfalls negativ auf die Batterieleistung auswirken.
Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung von Lithiumeisenphosphatmaterialien: Die Verbesserung der spezifischen Oberfläche und der Partikelgröße von Lithiumeisenphosphatmaterialien sind wichtige Maßnahmen zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Lithiumeisenphosphatmaterialien. Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmender Partikelgröße und spezifischer Oberfläche auch die elektrochemische Leistung von Lithiumeisenphosphatmaterialien zunimmt. Darüber hinaus ist die Optimierung des Elektrolyten und des Bindemittels ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Leistung von Lithiumeisenphosphatbatterien.
Die Nachfrage auf dem Markt für Lithiumeisenphosphat wächst rasant
Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnologie boomen weiterhin
Die globale Branche für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnologie tritt in eine neue Phase beschleunigter Entwicklung ein, die nicht nur dem Wirtschaftswachstum vieler Länder neuen Schwung verleiht, sondern auch zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen, zur Bewältigung der Herausforderungen des Klimawandels und zur Verbesserung der globalen ökologischen Umwelt beiträgt.
Ab 2021 dürfen die durchschnittlichen Kohlendioxidemissionen neuer Personenkraftwagen in der EU nicht höher als 95 Gramm pro Kilometer sein. Auf dieser Grundlage müssen sie bis 2025 um 151 TP3Tonnen bzw. 2030 um 37,51 TP3Tonnen gesenkt werden.
Am 31. März kündigte die Biden-Regierung in den Vereinigten Staaten an, dass sie 174 Milliarden US-Dollar zur Unterstützung der Entwicklung der Branche für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik bereitstellen werde, von denen 100 Milliarden US-Dollar direkt für Verbrauchersubventionen verwendet werden sollen. Der Staatsrat Chinas plant, dass der Verkauf von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik bis 2025 etwa 201 Milliarden US-Dollar des gesamten Neuwagenabsatzes ausmachen wird. (Quelle des Berichts: Future Think Tank)
Die Zukunft des Energiespeichermarktes ist vielversprechend
Gemessen am Grad der Technologiekommerzialisierung Ende 2020 sind Lithiumbatterien immer noch die ausgereifteste neue Energiespeichertechnologie mit dem höchsten Anwendungsanteil (fast 901 TP3T).
In den „Leitlinien für neue Energiespeicher“ heißt es, dass sich der Umfang des Marktes für neue Energiespeicher in meinem Land in den nächsten fünf Jahren (2020–2025) von 3,28 GW Ende 2020 auf 30 GW im Jahr 2025 vergrößern und damit das Zehnfache des aktuellen Niveaus erreichen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von über 551 TP3T.
Den Prognosen der CNESA zufolge wird die durchschnittliche Wachstumsrate der elektrochemischen Energiespeicherung in konservativen Szenarien bei etwa 571 TP3T verbleiben und in idealen Szenarien 701 TP3T übersteigen, d. h. die gesamte installierte Energiespeicherkapazität wird bis 2025 35,5 GW bzw. 55,8 GW erreichen.
Mit der Entwicklung von Anwendungsszenarien wie neuer Energieerzeugung und Energiespeicherung sowie Energiespeicherung im Haushalt ist der Kostenvorteil von Lithiumeisenphosphat deutlicher geworden. Die sinkenden Kosten für Lithiumeisenphosphatbatterien dürften einen riesigen Ersatzmarkt für Bleibatterien eröffnen.
Phosphor- und Eisenressourcen sind unverzichtbar, die Integrationskosten sind entscheidend
Lithiumeisenphosphat treibt die Nachfrage nach Eisenphosphat in die Höhe. Kurzfristiges Angebot und Nachfrage nach Eisenphosphat sind eng ausgewogen, und das langfristige Angebot ist locker. Laut Statistiken von Baichuan Yingfu beträgt die Produktionskapazität für Eisenphosphat in meinem Land im September 2021 356.000 Tonnen, die Betriebsrate der Unternehmen steigt weiter an und Angebot und Nachfrage sind eng ausgewogen. Unter der Annahme, dass 80% des zukünftigen Bedarfs an Lithiumeisenphosphat über den Eisenphosphat-Prozessweg gedeckt werden, entspricht die weltweite Nachfrage nach Lithiumeisenphosphat von 2,724 Millionen Tonnen im Jahr 2025 etwa 2,09 Millionen Tonnen Eisenphosphat. Laut dem Produktionskapazitätsplan für Eisenphosphat vom September 2021 wird er 300 Millionen Tonnen übersteigen. Wir erwarten langfristig eine ausreichende Versorgung mit Eisenphosphat.
Eisenquelle: Titandioxid-Unternehmen haben den Vorteil der Eisenquelle, wenn sie in das Lithium-Eisenphosphat-Geschäft einsteigen
Titandioxid-Unternehmen verfügen über kostenlose Eisenquellen und profitieren von Synergieeffekten. Eisensulfat, ein Nebenprodukt der Schwefelsäure-Titandioxid-Produktion, ist die Eisenquelle in den Rohstoffen für die Lithiumeisenphosphat-Produktion. Bei der Produktion einer einzigen Tonne Titandioxid können etwa 3 Tonnen Eisensulfat entstehen. Es ist schwierig, eine große Menge an Eisensulfat-Feststoffabfall zu verarbeiten. Stapelung und Entsorgung verursachen Umweltverschmutzungsprobleme und verschwenden Ressourcen. Nach der Vorbehandlung kann Eisensulfat-Feststoffabfall zur Herstellung von Eisenphosphat in Batteriequalität und dann zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat-Batteriematerialien verwendet werden, was die Ressourcennutzung verbessert, die Rohstoffkosten der Lithiumeisenphosphat-Produktion senkt und erhebliche Synergieeffekte hat. Berechnet auf der Grundlage des durchschnittlichen Rohstoffmarktpreises im 21H1 kann die Versorgung mit Eisenquellen im Vergleich zu Unternehmen, die Eisenquellen auslagern, 1.676 Yuan pro Tonne Kosten einsparen. Da der Prozesspfad für Eisensulfat zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat-Batteriematerialien schrittweise geöffnet wird, hat dies der gesamten Titandioxid-Industrie Chancen eröffnet. Einige Unternehmen haben sich von gereinigten Eisensulfatprodukten abgewandt, während andere ihre Ressourcenvorteile ausgenutzt und die Gelegenheit genutzt haben, in den Bereich der neuen Energiebatteriematerialien einzusteigen.
Phosphorquelle: Phosphorchemieunternehmen haben Kostenvorteile beim Einstieg in die Lithium-Eisenphosphat-Industrie
Unternehmen, die Phosphorquellen liefern, haben größere Kostenvorteile. Nach der Berechnung des durchschnittlichen Marktpreises im Jahr 21H1 betragen die Kosten für Phosphorquellen für eine Tonne Lithiumeisenphosphat etwa 4.124 Yuan, wenn hochreine Phosphorsäure 85% als Phosphorquelle gekauft wird. Für Unternehmen, die Phosphatgesteinsressourcen herstellen und die Nassreinigungstechnologie zur eigenen Herstellung von Phosphorsäure verwenden, betragen die Kosten pro Tonne etwa 1.989 Yuan pro Tonne Lithiumeisenphosphat. Unternehmen, die ihre eigenen Phosphorquellen bereitstellen, haben einen Kostenvorteil von etwa 2.135 Yuan pro Tonne. Im Vergleich zu Titandioxidunternehmen, die Eisenquellen bereitstellen, haben sie einen größeren Kostenvorteil.
Lithiumeisenphosphat hat den Mehrwert von Phosphorressourcen erheblich gesteigert. Im Bereich der traditionellen landwirtschaftlichen Düngemittel werden für eine Tonne landwirtschaftlichen Düngemittels Monoammoniumphosphat etwa 1,75 Tonnen Phosphatgestein benötigt, und eine Tonne Phosphatgestein kann einen Gewinn von etwa 172 Yuan erzielen. Der Einheitsverbrauch von Lithiumeisenphosphatphosphaterz beträgt etwa 2,26 Tonnen. Laut dem durchschnittlichen Marktpreis von 21H1 beträgt der Branchengewinn einer Tonne Lithiumeisenphosphat etwa 4.439 Yuan, sodass eine Tonne Phosphaterz einer Gewinnspanne von 1.964 Yuan entspricht. Lithiumeisenphosphat hat einen hohen Mehrwert und kann mehr als das Zehnfache des Einkommens landwirtschaftlicher Düngemittel einbringen, was ein Fenster für Wertsteigerungen für Phosphorchemieunternehmen öffnet.
Phosphorchemieunternehmen verfügen über Phosphorressourcen und -technologie. Hochreine Phosphorsäure für Batterien oder Monoammoniumphosphat in Industriequalität ist ein wichtiger Phosphorrohstoff bei der Herstellung von Lithiumeisenphosphat. Traditionelle Phosphorchemieunternehmen verfügen über Vorteile bei den Phosphorressourcen; kurzfristig werden Unternehmen mit Produktionskapazitäten für hochreines Ammoniumphosphat/Ammoniumphosphat in Industriequalität über Eisenphosphat als direkte Phosphorquelle für Lithium verfügen und Ressourcen und technologische Vorteile beherrschen.