Phosphate de fer et de lithium est un matériau d'électrode de batterie lithium-ion avec le chimique Formule LiFePO4 (LFP en abrégé). Il est principalement utilisé dans diverses batteries lithium-ion. Depuis que la société japonaise NTT a révélé pour la première fois en 1996 la structure olivine du matériau cathodique de batterie au lithium AyMPO4 (A est un métal alcalin, M est une combinaison de CoFe : LiFeCoPO4), en 1997, John. B. Goodenough et d'autres de l'Université du Texas à Austin aux États-Unis ont étudié Le groupe a également signalé par la suite le transfert réversible du lithium dans et hors du LiFePO4.
Les États-Unis et le Japon ont publié par hasard la structure de l'olivine (LiMPO4), qui a attiré une grande attention sur ce matériau et provoqué des recherches approfondies et un développement rapide. Comparé aux matériaux traditionnels de cathode de batterie secondaire lithium-ion, à la structure spinelle LiMn2O4 et à la structure en couches LiCoO2, LiMPO4 a des sources plus larges de matières premières, est moins cher et n'a aucune pollution environnementale.
Caractéristiques de base du phosphate de fer et de lithium
Le phosphate de fer et de lithium est actuellement le matériau cathodique le plus prometteur dans les batteries lithium-ion. Par rapport à d’autres matériaux cathodiques, il présente les avantages suivants :
(1) Faible coût. Comparé aux matériaux de cathode ternaire, le phosphate de fer et de lithium est relativement bon marché, a un processus de production relativement simple et provoque peu de pollution environnementale.
(2) Le batterie a une bonne sécurité. Les matériaux au lithium fer phosphate ne contiennent pas d'éléments de métaux lourds nocifs pour le corps humain. Ils ne produiront pas de gaz nocifs à haute température, ni de gaz toxiques, de brouillard acide et d'autres substances.
(3) Longue durée de vie. La durée de vie du phosphate de fer et de lithium est généralement plus de 500 fois, ce qui est bien supérieur à celui du lithium ternaire, et sa durée de vie peut atteindre plus de 10 ans.
(4) Excellentes performances électrochimiques. Les matériaux au lithium fer phosphate ont des performances de cycle et des performances de débit élevées, et peuvent maintenir de bonnes performances dans des conditions de basse température.
Lorsqu'un court-circuit se produit dans le matériau de la cathode au lithium et au phosphate de fer, il ne provoquera pas de situations dangereuses telles qu'une brûlure ou une explosion, et ne produira pas non plus de gaz toxiques, de brouillard acide ou de gaz toxiques et d'autres substances.
Méthode de préparation du phosphate de fer et de lithium
À l'heure actuelle, les méthodes de préparation des matériaux de phosphate de fer et de lithium comprennent principalement la synthèse en phase solide à haute température, la co-précipitation, les méthodes sol-gel et hydrothermales.
Méthode de synthèse en phase solide à haute température: La méthode de synthèse en phase solide à haute température fait référence à la préparation de matériaux de phosphate de fer et de lithium ayant une morphologie spécifique en contrôlant les conditions de réaction à température ambiante. Le principe principal de la synthèse en phase solide à haute température est d’utiliser la chaleur dégagée lors de la décomposition de la source de carbone pour réaliser la réaction à basse température.
En contrôlant les conditions de réaction, la morphologie, la taille des particules, la cristallinité et la structure cristalline du phosphate de fer et de lithium peuvent être contrôlées, préparant ainsi du phosphate de fer et de lithium avec différentes morphologies et formes cristallines.
L'avantage est que le coût de production est faible, mais la méthode de synthèse en phase solide à haute température présente de nombreux inconvénients. Par exemple, si la température est trop élevée, les grains du matériau se développeront, ce qui entraînera de mauvaises performances du matériau ; le prix des matières premières est élevé et le coût de production est important ; pendant le processus de préparation, il est facile de générer des déchets tels que des déchets liquides et des résidus de déchets.
Méthode de précipitation: Mélanger les matières premières uniformément dans une certaine proportion, ajouter les additifs appropriés, réagir à une certaine température, filtrer, laver et sécher pour obtenir des produits de phosphate de fer et de lithium. La méthode de co-précipitation a un processus de production simple et peut contrôler la morphologie et la granulométrie du produit. C’est actuellement la méthode de préparation la plus utilisée. Les performances des produits de phosphate de fer et de lithium préparés par la méthode de co-précipitation sont relativement stables.
Méthode sol-gel: fait référence au mélange d'abord de la source de carbone et de la source d'aluminium, puis à leur ajout au solvant organique pour agiter et augmenter la température jusqu'à ce qu'elle atteigne une température prédéterminée ; puis la solution est filtrée et lavée, séchée, dispersée et broyée à basse température pour préparer du nano-phosphate de fer. lithium. Le phosphate de fer et de lithium synthétisé par cette méthode présente des grains fins, une cristallinité élevée et des performances stables. Cependant, la méthode sol-gel présente un coût élevé, un processus de préparation compliqué et de sérieux problèmes d’agglomération du produit.
Avantages et inconvénients de l'utilisation de matériaux au lithium et au phosphate de fer pour produire des batteries de puissance
Avantages des matériaux au lithium et au phosphate de fer : Les matériaux au lithium et au phosphate de fer présentent les avantages d'une grande capacité spécifique, d'une longue durée de vie, d'une plate-forme basse tension, d'une sécurité élevée et d'une forte adaptabilité environnementale. Ils sont considérés comme l’un des matériaux cathodiques pour batteries lithium-ion les plus prometteurs. . En outre, il présente également les caractéristiques d’un prix bas et d’une large source.
Problèmes avec les matériaux de phosphate de fer et de lithium : des cristaux d'acide phosphorique se forment facilement pendant le processus de préparation des matériaux de phosphate de fer et de lithium, ce qui réduit leur conductivité ; la structure cristalline du phosphate de fer et de lithium change considérablement à haute température et a une mauvaise stabilité ; il est sujet à des changements de volume, conduisant à une atténuation de capacité ; et Les acides organiques générés par les réactions électrolytiques peuvent également nuire aux performances de la batterie.
Mesures visant à améliorer les performances des matériaux au phosphate de fer et au lithium : L'amélioration de la surface spécifique et de la taille des particules des matériaux au phosphate de fer et au lithium sont des mesures importantes pour améliorer les performances électrochimiques des matériaux au phosphate de fer et au lithium. La recherche montre qu’à mesure que la taille des particules et la surface spécifique augmentent, les performances électrochimiques des matériaux au phosphate de fer et de lithium augmentent également. De plus, l’optimisation de l’électrolyte et du liant est également un moyen important pour améliorer les performances des batteries lithium fer phosphate.
La demande du marché du phosphate de fer et de lithium augmente rapidement
Les véhicules à énergies nouvelles continuent d’être en plein essor
L'industrie mondiale des véhicules à énergie nouvelle entre dans une nouvelle étape de développement accéléré, qui non seulement insuffle un nouvel élan fort à la croissance économique de divers pays, mais contribue également à réduire les émissions de gaz à effet de serre, à faire face aux défis du changement climatique et à améliorer l'environnement écologique mondial. .
À partir de 2021, les émissions moyennes de dioxyde de carbone des voitures particulières neuves dans l’UE ne dépasseront pas 95 grammes par kilomètre. D’ici 2025 et 2030, ils devront être réduits respectivement de 15% et 37,5% sur cette base.
Le 31 mars, l'administration Biden aux États-Unis a annoncé qu'elle allouerait 174 milliards de dollars US au soutien au développement de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, dont 100 milliards de dollars US seraient directement utilisés pour les subventions à la consommation. Le Conseil d'État chinois prévoit que d'ici 2025, les ventes de véhicules à énergies nouvelles représenteront environ 20% des ventes totales d'automobiles neuves. (Source du rapport : Future Think Tank)
L’avenir du marché du stockage d’énergie est prometteur
À en juger par le degré de commercialisation de la technologie à la fin de 2020, les batteries au lithium restent la nouvelle technologie de stockage d'énergie la plus mature avec la proportion d'applications la plus élevée (près de 90%).
Les « New Energy Storage Guidance Opinions » soulignent que de 3,28 GW fin 2020 à 30 GW en 2025, au cours des cinq prochaines années (2020 ~ 2025), la taille du nouveau marché du stockage d'énergie en Chine sera 10 fois supérieure à celle du stockage d'énergie. niveau actuel, avec un taux de croissance annuel composé moyen de plus de 55%.
Selon les prévisions du CNESA, le taux de croissance composé du stockage électrochimique d'énergie restera autour de 57% dans des scénarios conservateurs et dépassera 70% dans des scénarios idéaux, c'est-à-dire que la capacité totale de stockage d'énergie installée atteindra respectivement 35,5GW et 55,8GW d'ici 2025.
Avec le développement de scénarios d'utilisation tels que la production d'énergie nouvelle, le stockage d'énergie et le stockage d'énergie domestique, l'avantage en termes de coût du phosphate de fer et de lithium est devenu plus important. La baisse du coût des batteries au lithium fer phosphate devrait ouvrir la voie à un énorme marché de remplacement des batteries au plomb.
Les ressources en phosphore et en fer sont indispensables et le coût d'intégration est roi
Le phosphate de fer et de lithium fait augmenter la demande de phosphate de fer. L’offre et la demande de phosphate de fer à court terme sont étroitement équilibrées et l’offre à long terme est lâche. Selon les statistiques de Baichuan Yingfu, en septembre 2021, la capacité de production de phosphate de fer de la Chine était de 356 000 tonnes, le taux de fonctionnement des entreprises continue d'augmenter et l'offre et la demande sont étroitement équilibrées. En supposant que 80% de la demande future de phosphate de fer et de lithium seront satisfaits grâce au processus de traitement du phosphate de fer, la demande mondiale de phosphate de fer et de lithium de 2,724 millions de tonnes en 2025 correspondra à environ 2,09 millions de tonnes de demande de phosphate de fer. Selon le plan de capacité de production de phosphate de fer à compter de septembre 2021, elle dépassera les 300 tonnes. millions de tonnes, nous prévoyons un approvisionnement suffisant en phosphate de fer à long terme.
Source de fer : les entreprises de dioxyde de titane ont l’avantage de disposer d’une source de fer lorsqu’elles se lancent dans le secteur du phosphate de fer et de lithium
Les entreprises de dioxyde de titane disposent de sources de fer gratuites et bénéficient d’effets synergiques. Le sulfate ferreux, un sous-produit de l'entreprise de dioxyde de titane et d'acide sulfurique, est la source de fer dans les matières premières pour la production de phosphate de fer et de lithium. La production d’une seule tonne de dioxyde de titane peut produire environ 3 tonnes de sulfate ferreux. Il est difficile de traiter une grande quantité de déchets solides de sulfate ferreux. L'empilage et l'élimination entraînent des problèmes de pollution de l'environnement et gaspillent des ressources. Après prétraitement, les déchets solides de sulfate ferreux peuvent être utilisés pour produire du phosphate de fer de qualité batterie, puis produire des matériaux de batterie au lithium fer phosphate, ce qui améliore l'utilisation des ressources, réduit le coût des matières premières de la production de phosphate de fer lithium et a des effets synergiques significatifs. . Calculé sur la base du prix moyen du marché des matières premières au premier semestre 21, l'approvisionnement en fer peut permettre d'économiser 1 676 yuans par tonne par rapport aux entreprises d'externalisation des sources de fer. À mesure que le processus de fabrication du sulfate ferreux pour préparer les matériaux des batteries au lithium et au phosphate de fer s'ouvre progressivement, cela a créé des opportunités pour l'ensemble de l'industrie du dioxyde de titane. Certaines entreprises ont supprimé les produits à base de sulfate ferreux purifié, tandis que d'autres ont profité de leurs avantages en matière de ressources pour saisir l'opportunité de se lancer dans de nouvelles batteries énergétiques. domaine des matériaux.
Source de phosphore : les entreprises chimiques du phosphore bénéficient d’avantages en termes de coûts lorsqu’elles entrent dans l’industrie du phosphate de fer et de lithium
Les sociétés de fourniture de sources de phosphore bénéficient de plus grands avantages en termes de coûts. Selon le calcul du prix moyen du marché au 21S1, si l'acide phosphorique de haute pureté 85% est acheté comme source de phosphore, le coût de la source de phosphore d'une seule tonne de phosphate de fer et de lithium est d'environ 4 124 yuans. Pour les entreprises de ressources en phosphate naturel qui utilisent la technologie de purification par voie humide pour produire elles-mêmes de l'acide phosphorique, le coût par tonne est d'environ 1 989 yuans/tonne. Le coût de la source de phosphore par tonne de phosphate de fer et de lithium est d'environ 1 989 yuans/tonne. Les entreprises de phosphate de fer et de lithium qui fournissent leurs propres sources de phosphore bénéficient d'un avantage de coût d'environ 2 135 yuans/tonne. Par rapport aux sociétés de dioxyde de titane qui fournissent des sources de fer, elles bénéficient d’un plus grand avantage en termes de coûts.
Le phosphate de fer et de lithium a considérablement augmenté la valeur ajoutée des ressources en phosphore. Dans le domaine des engrais agricoles traditionnels, une seule tonne d'engrais agricole au phosphate monoammonique nécessite environ 1,75 tonne de phosphate naturel, et une seule tonne de phosphate naturel peut générer un bénéfice d'environ 172 yuans. La consommation unitaire de minerai de phosphate de fer et de lithium est d'environ 2,26 tonnes. Selon le prix moyen du marché au 21ème semestre, le bénéfice de l'industrie pour une seule tonne de phosphate de fer et de lithium est d'environ 4 439 yuans, donc une seule tonne de minerai de phosphate correspond à une marge bénéficiaire de 1 964 yuans. Le phosphate de fer et de lithium a une valeur ajoutée élevée et peut rapporter plus de 10 fois les revenus des engrais agricoles, ouvrant une fenêtre d'amélioration de la valorisation pour les entreprises chimiques du phosphore.
Les entreprises chimiques du phosphore disposent de ressources en phosphore et d’une accumulation technologique. L'acide phosphorique de haute pureté pour batteries ou le phosphate monoammonium de qualité industrielle est une source de phosphore importante dans la production de phosphate de fer et de lithium. Les entreprises traditionnelles de produits chimiques à base de phosphore présentent des avantages en matière de ressources en phosphore ; à court terme, les entreprises disposant d'une capacité de production de phosphate d'ammonium de haute pureté/phosphate d'ammonium de qualité industrielle disposeront de phosphate de fer, source directe de phosphore de lithium, maîtrisant les ressources et les avantages technologiques.