فسفات آهن لیتیوم یک ماده الکترود باتری لیتیوم یون با شیمیایی فرمول LiFePO4 (به اختصار LFP). این عمدتا در باتری های لیتیوم یون مختلف استفاده می شود. از آنجایی که NTT ژاپن برای اولین بار ساختار الیوین مواد کاتد باتری لیتیوم AyMPO4 (A یک فلز قلیایی است، M ترکیبی از CoFe: LiFeCoPO4 است) در سال 1996، در سال 1997، جان. B. Goodenough و دیگران از دانشگاه تگزاس در آستین در ایالات متحده مطالعه کردند این گروه همچنین متعاقباً انتقال برگشت پذیر لیتیوم به داخل و خارج LiFePO4 را گزارش کردند.
ایالات متحده و ژاپن به طور تصادفی ساختار الیوین (LiMPO4) را منتشر کردند که توجه زیادی را به این ماده جلب کرد و باعث تحقیقات گسترده و توسعه سریع شد. در مقایسه با مواد سنتی کاتد باتری ثانویه لیتیوم یون، ساختار اسپینل LiMn2O4 و ساختار لایه ای LiCoO2، LiMPO4 دارای منابع گسترده تری از مواد خام، ارزان تر و بدون آلودگی زیست محیطی است.
ویژگی های اساسی لیتیوم فسفات آهن
فسفات آهن لیتیوم در حال حاضر امیدوارکننده ترین ماده کاتدی در باتری های لیتیوم یونی است. در مقایسه با سایر مواد کاتدی، دارای مزایای زیر است:
(1) هزینه کم در مقایسه با مواد کاتدی سه تایی، فسفات آهن لیتیوم نسبتاً ارزان است، فرآیند تولید نسبتاً ساده ای دارد و آلودگی محیطی کمی ایجاد می کند.
(2) باتری ایمنی خوبی دارد مواد فسفات آهن لیتیوم حاوی عناصر فلزی سنگینی نیستند که برای بدن انسان مضر باشند. آنها در دمای بالا گازهای مضر تولید نمی کنند و همچنین گاز سمی، غبار اسیدی و سایر مواد تولید نمی کنند.
(3) عمر چرخه طولانی. عمر چرخه لیتیوم فسفات آهن معمولاً بیش از 500 برابر است که بسیار بیشتر از لیتیوم سه تایی است و عمر مفید آن می تواند به بیش از 10 سال برسد.
(4) عملکرد الکتروشیمیایی عالی. مواد فسفات آهن لیتیوم عملکرد چرخه و سرعت بالایی دارند و می توانند عملکرد خوبی را در شرایط دمای پایین حفظ کنند.
هنگامی که یک اتصال کوتاه در مواد کاتد فسفات آهن لیتیوم رخ می دهد، باعث ایجاد موقعیت های خطرناک مانند سوختن یا انفجار نمی شود و همچنین گازهای سمی، غبار اسیدی یا گازهای سمی و سایر مواد تولید نمی کند.
روش تهیه لیتیوم فسفات آهن
در حال حاضر، روش‌های تهیه مواد فسفات آهن لیتیوم عمدتاً شامل روش‌های سنتز فاز جامد در دمای بالا، روش‌های رسوبی، سل-ژل و هیدروترمال است.
روش سنتز فاز جامد در دمای بالا: روش سنتز فاز جامد در دمای بالا به تهیه مواد فسفات آهن لیتیوم با مورفولوژی خاص با کنترل شرایط واکنش در دمای اتاق اشاره دارد. اصل اصلی سنتز فاز جامد در دمای بالا استفاده از گرمای آزاد شده هنگام تجزیه منبع کربن برای انجام واکنش در دمای پایین است.
با کنترل شرایط واکنش، مورفولوژی، اندازه ذراتبلورینگی و ساختار کریستالی لیتیوم فسفات آهن را می توان کنترل کرد و از این طریق فسفات آهن لیتیوم را با مورفولوژی ها و اشکال کریستالی مختلف تهیه کرد.
مزیت این است که هزینه تولید پایین است، اما روش سنتز فاز جامد در دمای بالا دارای کاستی های زیادی است. به عنوان مثال، اگر دما خیلی بالا باشد، دانه های مواد رشد می کنند و در نتیجه عملکرد مواد ضعیف می شود. قیمت مواد اولیه بالا است و هزینه تولید زیاد است. در طول فرآیند آماده سازی، تولید زباله مانند مایع زباله و پسماند زباله آسان است.
روش بارش: مواد اولیه را به نسبت معین به طور یکنواخت مخلوط کنید، افزودنی های مناسب اضافه کنید، در دمای معین واکنش دهید، فیلتر کنید، شستشو دهید و خشک کنید تا محصولات لیتیوم آهن فسفات به دست آید. روش هم‌رسوبی فرآیند تولید ساده‌ای دارد و می‌تواند مورفولوژی و اندازه ذرات محصول را کنترل کند. در حال حاضر پرکاربردترین روش تهیه است. عملکرد محصولات لیتیوم آهن فسفات تهیه شده به روش هم رسوبی نسبتاً پایدار است.
روش سل-ژل: اشاره به مخلوط کردن منبع کربن و منبع آلومینیوم و افزودن آنها به حلال آلی برای هم زدن و بالا بردن دما تا رسیدن به دمای از پیش تعیین شده است. سپس محلول فیلتر شده و شسته شده، خشک شده، پراکنده شده و در دمای پایین آسیاب می شود تا نانو فسفات آهن تهیه شود. لیتیوم فسفات آهن لیتیوم سنتز شده با این روش دارای دانه های ریز، بلورینگی بالا و عملکرد پایدار است. با این حال، روش سل-ژل دارای هزینه بالا، فرآیند آماده سازی پیچیده و مشکلات جدی تراکم محصول است.
مزایا و معایب استفاده از مواد فسفات آهن لیتیوم برای تولید باتری های برق
مزایای مواد فسفات آهن لیتیوم: مواد فسفات آهن لیتیوم دارای مزایای ظرفیت ویژه بزرگ، عمر چرخه طولانی، پلت فرم ولتاژ پایین، ایمنی بالا و سازگاری قوی با محیط هستند. آنها به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین مواد کاتد باتری لیتیوم یون در نظر گرفته می شوند. . علاوه بر این، ویژگی های قیمت پایین و منبع گسترده را نیز دارد.
مشکلات مربوط به مواد فسفات آهن لیتیوم: کریستال های اسید فسفریک به راحتی در طی فرآیند آماده سازی مواد فسفات آهن لیتیوم تشکیل می شوند که رسانایی آن را کاهش می دهد. ساختار کریستالی فسفات آهن لیتیوم در دماهای بالا به شدت تغییر می کند و پایداری ضعیفی دارد. مستعد تغییرات حجم است که منجر به کاهش ظرفیت می شود. و اسیدهای آلی تولید شده توسط واکنش های الکترولیت نیز می توانند بر عملکرد باتری تأثیر منفی بگذارند.
اقدامات برای بهبود عملکرد مواد فسفات آهن لیتیوم: بهبود سطح ویژه و اندازه ذرات مواد فسفات آهن لیتیوم اقدامات مهمی برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی مواد فسفات آهن لیتیوم است. تحقیقات نشان می دهد که با افزایش اندازه ذرات و سطح ویژه، عملکرد الکتروشیمیایی مواد فسفات آهن لیتیوم نیز افزایش می یابد. علاوه بر این، بهینه سازی الکترولیت و بایندر نیز ابزار مهمی برای بهبود عملکرد باتری های لیتیوم آهن فسفات است.
تقاضای بازار فسفات آهن لیتیوم به سرعت در حال رشد است
وسایل نقلیه جدید انرژی همچنان در حال رونق هستند
صنعت خودروهای انرژی جدید جهانی در حال ورود به مرحله جدیدی از توسعه شتابان است که نه تنها شتاب جدیدی را به رشد اقتصادی کشورهای مختلف تزریق می کند، بلکه به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، مقابله با چالش های تغییرات آب و هوا و بهبود محیط زیست محیطی جهانی کمک می کند. .
از سال 2021، میانگین انتشار دی اکسید کربن خودروهای سواری جدید در اتحادیه اروپا نباید بیشتر از 95 گرم در هر کیلومتر باشد. تا سال 2025 و 2030، بر این اساس باید به ترتیب 15% و 37.5% کاهش یابد.
در 31 مارس، دولت بایدن در ایالات متحده اعلام کرد که $174 میلیارد دلار را برای حمایت از توسعه صنعت خودروهای انرژی جدید اختصاص خواهد داد که از این مقدار $100 میلیارد دلار مستقیماً برای یارانه مصرف کنندگان استفاده خواهد شد. شورای دولتی چین در نظر دارد تا سال 2025، فروش خودروهای انرژی جدید حدود 20% از کل فروش خودروهای جدید را به خود اختصاص دهد. (منبع گزارش: اتاق فکر آینده)
آینده بازار ذخیره انرژی امیدوار کننده است
با قضاوت از میزان تجاری‌سازی فناوری در پایان سال 2020، باتری‌های لیتیومی هنوز بالغ‌ترین فناوری ذخیره‌سازی انرژی جدید با بالاترین نسبت کاربرد (نزدیک به 90%) هستند.
"نظرات راهنمای ذخیره انرژی جدید" اشاره می کند که از 3.28 گیگاوات در پایان سال 2020 به 30 گیگاوات در سال 2025، در پنج سال آینده (2020 تا 2025)، مقیاس بازار ذخیره انرژی جدید کشور من به 10 برابر افزایش خواهد یافت. سطح فعلی، با میانگین نرخ رشد مرکب سالانه بیش از 55%.
طبق پیش بینی های CNESA، نرخ رشد ترکیبی ذخیره انرژی الکتروشیمیایی در سناریوهای محافظه کارانه در حدود 57% باقی خواهد ماند و در سناریوهای ایده آل از 70% تجاوز خواهد کرد، یعنی کل ظرفیت ذخیره سازی انرژی نصب شده تا سال 2025 به ترتیب به 35.5GW و 55.8GW خواهد رسید.
با توسعه سناریوهای استفاده مانند تولید انرژی جدید و ذخیره انرژی و ذخیره انرژی خانگی، مزیت هزینه ای فسفات آهن لیتیوم برجسته تر شده است. انتظار می‌رود کاهش هزینه باتری‌های لیتیوم آهن فسفات بازار بزرگ جایگزینی باتری‌های اسید سرب را باز کند.
منابع فسفر و آهن ضروری هستند، و هزینه یکپارچه سازی شاه است
فسفات آهن لیتیوم باعث افزایش تقاضا برای فسفات آهن می شود. عرضه و تقاضای کوتاه مدت فسفات آهن کاملاً متعادل است و عرضه بلندمدت ضعیف است. طبق آمار بایچوان ینگفو، از سپتامبر 2021، ظرفیت تولید فسفات آهن کشور من 356000 تن است، نرخ عملیاتی شرکت ها همچنان در حال افزایش است و عرضه و تقاضا به شدت متعادل هستند. با فرض اینکه 80% تقاضای آتی لیتیوم فسفات آهن از طریق مسیر فرآیند فسفات آهن محقق شود، تقاضای جهانی برای فسفات آهن لیتیوم به میزان 2.724 میلیون تن در سال 2025 با تقریباً 2.09 میلیون تن تقاضای فسفات آهن مطابقت دارد. طبق برنامه ظرفیت تولید فسفات آهن تا سپتامبر 2021، این ظرفیت از 300 تن فراتر خواهد رفت. میلیون تن، ما انتظار داریم در بلندمدت عرضه کافی فسفات آهن وجود داشته باشد.
منبع آهن: شرکت های دی اکسید تیتانیوم از مزیت منبع آهن هنگام ورود به تجارت فسفات آهن لیتیوم برخوردار هستند.
شرکت‌های دی‌اکسید تیتانیوم دارای منابع آهن با قیمت صفر هستند و از اثرات هم افزایی برخوردارند. سولفات آهن، محصول جانبی شرکت اسید سولفوریک دی اکسید تیتانیوم، منبع آهن در مواد خام برای تولید فسفات آهن لیتیوم است. تولید یک تن دی اکسید تیتانیوم می تواند تقریباً 3 تن سولفات آهن تولید کند. پردازش مقدار زیادی ضایعات جامد سولفات آهن دشوار است. انباشتن و دفع آنها باعث ایجاد مشکلات آلودگی محیط زیست و هدر رفتن منابع می شود. پس از پیش تصفیه، می توان از ضایعات جامد سولفات آهن برای تولید فسفات آهن با درجه باتری استفاده کرد و سپس مواد باتری فسفات آهن لیتیوم را تولید کرد که استفاده از منابع را بهبود می بخشد، هزینه مواد خام تولید لیتیوم آهن فسفات را کاهش می دهد و اثرات هم افزایی قابل توجهی دارد. . با محاسبه بر اساس میانگین قیمت بازار مواد خام در 21 نیمه اول، عرضه منبع آهن می تواند 1676 یوان در هر تن هزینه را در مقایسه با شرکت های برون سپاری منبع آهن صرفه جویی کند. همانطور که مسیر فرآیند سولفات آهن برای تهیه مواد باتری لیتیوم فسفات آهن به تدریج باز می شود، فرصت هایی را برای کل صنعت دی اکسید تیتانیوم به ارمغان آورده است. برخی از شرکت‌ها محصولات سولفات آهن خالص را حذف کرده‌اند، در حالی که سایر شرکت‌ها از مزایای منابع خود برای استفاده از فرصت برای ورود باتری‌های انرژی جدید استفاده کرده‌اند. زمینه مواد
منبع فسفر: شرکت های شیمیایی فسفر هنگام ورود به صنعت فسفات آهن لیتیوم دارای مزایای هزینه ای هستند.
شرکت های تامین کننده منابع فسفر مزایای هزینه بیشتری دارند. با توجه به محاسبه میانگین قیمت بازار در 21 H1، اگر اسید فسفریک با خلوص بالا 85% به عنوان منبع فسفر خریداری شود، هزینه منبع فسفر یک تن لیتیوم فسفات آهن تقریباً 4124 یوان است. برای شرکت های منابع سنگ فسفات که از فناوری تصفیه مرطوب برای تولید اسید فسفریک به تنهایی استفاده می کنند، هزینه هر تن است. شرکت های فسفات آهن لیتیوم که منابع فسفر خود را تامین می کنند، دارای مزیت هزینه ای در حدود 2135 یوان در تن هستند. در مقایسه با شرکت های دی اکسید تیتانیوم که منابع آهن را تامین می کنند، مزیت هزینه بیشتری دارند.
فسفات آهن لیتیوم ارزش افزوده منابع فسفر را بسیار افزایش داده است. در زمینه کود کشاورزی سنتی، یک تن کود کشاورزی مونوآمونیوم فسفات به حدود 1.75 تن سنگ فسفات نیاز دارد و یک تن سنگ فسفات می تواند حدود 172 یوان سود ایجاد کند. واحد مصرف سنگ معدن لیتیوم آهن فسفات فسفات حدود 2.26 تن است. با توجه به میانگین قیمت بازار در نیمه اول 21، سود صنعت یک تن لیتیوم فسفات آهن حدود 4439 یوان است، بنابراین یک تن سنگ فسفات معادل با حاشیه سود 1964 یوان است. فسفات آهن لیتیوم ارزش افزوده بالایی دارد و می تواند بیش از 10 برابر کودهای کشاورزی درآمد داشته باشد و دریچه ای را برای بهبود ارزش گذاری برای شرکت های شیمیایی فسفر باز کند.
شرکت های شیمیایی فسفر دارای منابع فسفر و انباشت فناوری هستند. اسید فسفریک با خلوص بالا برای باتری ها یا فسفات مونوآمونیوم صنعتی یک ماده منبع فسفر مهم در تولید فسفات آهن لیتیوم است. شرکت های شیمیایی فسفر سنتی دارای مزایای منابع فسفر هستند. در کوتاه مدت، شرکت هایی با ظرفیت تولید فسفات آمونیوم با درجه خلوص بالا/فسفات آمونیوم با درجه صنعتی، منبع فسفر مستقیم فسفات آهن لیتیوم، تسلط بر منابع و مزایای تکنولوژیکی خواهند داشت.