Fosfato di ferro e litio è un materiale per elettrodi di batterie agli ioni di litio con chimico formula LiFePO4 (LFP in breve). È utilizzata principalmente in varie batterie agli ioni di litio. Da quando la NTT giapponese ha rivelato per la prima volta la struttura olivina del materiale catodico della batteria al litio di AyMPO4 (A è un metallo alcalino, M è una combinazione di CoFe: LiFeCoPO4) nel 1996, nel 1997, John. B. Goodenough e altri dell'Università del Texas ad Austin negli Stati Uniti hanno studiato Il gruppo ha anche successivamente segnalato il trasferimento reversibile di litio dentro e fuori da LiFePO4.
Gli Stati Uniti e il Giappone hanno pubblicato casualmente la struttura dell'olivina (LiMPO4), che ha attirato grande attenzione su questo materiale e ha causato un'ampia ricerca e un rapido sviluppo. Rispetto ai tradizionali materiali catodici delle batterie secondarie agli ioni di litio, la struttura a spinello LiMn2O4 e la struttura a strati LiCoO2, LiMPO4 ha fonti più ampie di materie prime, è più economico e non ha inquinamento ambientale.
Caratteristiche di base del litio ferro fosfato
Il litio ferro fosfato è attualmente il materiale catodico più promettente nelle batterie agli ioni di litio. Rispetto ad altri materiali catodici, presenta i seguenti vantaggi:
(1) Basso costo. Rispetto ai materiali catodici ternari, il litio ferro fosfato è relativamente economico, ha un processo di produzione relativamente semplice e causa poco inquinamento ambientale.
(2) Il batteria ha una buona sicurezza. I materiali di litio ferro fosfato non contengono elementi di metalli pesanti che sono dannosi per il corpo umano. Non produrranno gas nocivi ad alte temperature, né produrranno gas velenosi, nebbia acida e altre sostanze.
(3) Lunga durata del ciclo. La durata del ciclo del litio ferro fosfato è solitamente più di 500 volte, il che è molto più alto di quello del litio ternario, e la sua durata di servizio può raggiungere più di 10 anni.
(4) Eccellenti prestazioni elettrochimiche. I materiali in litio ferro fosfato hanno elevate prestazioni di ciclo e velocità e possono mantenere buone prestazioni in condizioni di bassa temperatura.
Quando si verifica un cortocircuito nel materiale del catodo al litio ferro fosfato, non si verificano situazioni pericolose come incendi o esplosioni, né si producono gas tossici, nebbie acide, gas velenosi e altre sostanze.
Metodo di preparazione del fosfato di ferro e litio
Attualmente, i metodi di preparazione dei materiali a base di litio e ferro fosfato includono principalmente la sintesi in fase solida ad alta temperatura, la coprecipitazione, il sol-gel e i metodi idrotermali.
Metodo di sintesi in fase solida ad alta temperatura: Il metodo di sintesi in fase solida ad alta temperatura si riferisce alla preparazione di materiali di fosfato di ferro e litio con morfologia specifica controllando le condizioni di reazione a temperatura ambiente. Il principio principale della sintesi in fase solida ad alta temperatura è quello di utilizzare il calore rilasciato quando la fonte di carbonio viene decomposta per eseguire la reazione a bassa temperatura.
Controllando le condizioni di reazione, la morfologia, dimensione delle particelle, è possibile controllare la cristallinità e la struttura cristallina del fosfato di litio e ferro, preparando così fosfato di litio e ferro con diverse morfologie e forme cristalline.
Il vantaggio è che il costo di produzione è basso, ma il metodo di sintesi in fase solida ad alta temperatura presenta molte carenze. Ad esempio, se la temperatura è troppo alta, i grani del materiale cresceranno, con conseguente scarsa prestazione del materiale; il prezzo delle materie prime è alto e il costo di produzione è elevato; durante il processo di preparazione è facile generare rifiuti come liquidi di scarto e residui di scarto.
Metodo di precipitazione: Mescolare le materie prime in modo uniforme in una certa proporzione, aggiungere additivi appropriati, reagire a una certa temperatura, filtrare, lavare e asciugare per ottenere prodotti di fosfato di ferro e litio. Il metodo di coprecipitazione ha un processo di produzione semplice e può controllare la morfologia e la dimensione delle particelle del prodotto. Attualmente è il metodo di preparazione più ampiamente utilizzato. Le prestazioni dei prodotti di fosfato di ferro e litio preparati con il metodo di coprecipitazione sono relativamente stabili.
Metodo sol-gel: si riferisce alla prima miscelazione della fonte di carbonio e della fonte di alluminio e quindi alla loro aggiunta al solvente organico per agitazione e aumento della temperatura fino a raggiungere una temperatura predeterminata; quindi la soluzione viene filtrata e lavata, essiccata, dispersa e macinata a bassa temperatura per preparare il nano-fosfato di ferro. litio. Il fosfato di ferro e litio sintetizzato con questo metodo ha grani fini, elevata cristallinità e prestazioni stabili. Tuttavia, il metodo sol-gel ha costi elevati, un processo di preparazione complicato e gravi problemi di agglomerazione del prodotto.
Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di materiali al litio ferro fosfato per produrre batterie di potenza
Vantaggi dei materiali al litio ferro fosfato: i materiali al litio ferro fosfato presentano i vantaggi di una grande capacità specifica, un lungo ciclo di vita, una piattaforma a bassa tensione, un'elevata sicurezza e una forte adattabilità ambientale. Sono considerati uno dei materiali catodici per batterie agli ioni di litio più promettenti. Inoltre, presentano anche le caratteristiche di un prezzo basso e di un'ampia fonte.
Problemi con i materiali al litio ferro fosfato: durante il processo di preparazione dei materiali al litio ferro fosfato si formano facilmente cristalli di acido fosforico, il che ne riduce la conduttività; la struttura cristallina del litio ferro fosfato cambia notevolmente ad alte temperature e ha scarsa stabilità; è soggetto a variazioni di volume, con conseguente attenuazione della capacità; anche gli acidi organici generati dalle reazioni elettrolitiche possono influire negativamente sulle prestazioni della batteria.
Misure per migliorare le prestazioni dei materiali al litio ferro fosfato: il miglioramento dell'area superficiale specifica e della dimensione delle particelle dei materiali al litio ferro fosfato sono misure importanti per migliorare le prestazioni elettrochimiche dei materiali al litio ferro fosfato. La ricerca mostra che all'aumentare delle dimensioni delle particelle e dell'area superficiale specifica, aumentano anche le prestazioni elettrochimiche dei materiali al litio ferro fosfato. Inoltre, l'ottimizzazione dell'elettrolita e del legante è anche un mezzo importante per migliorare le prestazioni delle batterie al litio ferro fosfato.
La domanda del mercato del litio ferro fosfato è in rapida crescita
I veicoli a nuova energia continuano a crescere
L'industria mondiale dei veicoli a nuova energia sta entrando in una nuova fase di sviluppo accelerato, che non solo imprime un nuovo e forte impulso alla crescita economica di vari paesi, ma aiuta anche a ridurre le emissioni di gas serra, ad affrontare le sfide del cambiamento climatico e a migliorare l'ambiente ecologico globale.
A partire dal 2021, le emissioni medie di anidride carbonica delle nuove autovetture nell'UE non dovranno essere superiori a 95 grammi per chilometro. Entro il 2025 e il 2030, dovranno essere ridotte rispettivamente di 15% e 37,5% su questa base.
Il 31 marzo, l'amministrazione Biden negli Stati Uniti ha annunciato che avrebbe stanziato 174 miliardi di dollari per sostenere lo sviluppo dell'industria dei veicoli a nuova energia, di cui 100 miliardi di dollari saranno utilizzati direttamente per sussidi ai consumatori. Il Consiglio di Stato cinese prevede che entro il 2025, le vendite di veicoli a nuova energia rappresenteranno circa 201 300 miliardi di dollari delle vendite totali di automobili nuove. (Fonte del rapporto: Future Think Tank)
Il futuro del mercato dell'accumulo di energia è promettente
A giudicare dal grado di commercializzazione della tecnologia alla fine del 2020, le batterie al litio sono ancora la tecnologia di accumulo di energia più matura, con la più alta percentuale di applicazioni (circa 90%).
Le "New Energy Storage Guidance Opinions" sottolineano che, da 3,28 GW alla fine del 2020 a 30 GW nel 2025, nei prossimi cinque anni (2020~2025), la portata del nuovo mercato dell'accumulo di energia del mio Paese si espanderà fino a 10 volte il livello attuale, con un tasso di crescita medio annuo composto di oltre 551 TP3T.
Secondo le previsioni della CNESA, il tasso di crescita composto dell'accumulo elettrochimico di energia rimarrà intorno a 57% in scenari conservativi e supererà i 70% in scenari ideali, ovvero la capacità totale di accumulo di energia installata raggiungerà rispettivamente 35,5 GW e 55,8 GW entro il 2025.
Con lo sviluppo di scenari di utilizzo quali la nuova generazione di energia e l'accumulo di energia e l'accumulo di energia domestica, il vantaggio in termini di costi del litio ferro fosfato è diventato più evidente. Si prevede che il costo decrescente delle batterie al litio ferro fosfato aprirà un enorme mercato di sostituzione delle batterie al piombo.
Le risorse di fosforo e ferro sono indispensabili e il costo di integrazione è fondamentale
Il fosfato di ferro e litio aumenta la domanda di fosfato di ferro. L'offerta e la domanda di fosfato di ferro a breve termine sono strettamente bilanciate e l'offerta a lungo termine è debole. Secondo le statistiche di Baichuan Yingfu, a settembre 2021, la capacità di produzione di fosfato di ferro del mio paese è di 356.000 tonnellate, il tasso operativo delle imprese continua ad aumentare e l'offerta e la domanda sono strettamente bilanciate. Supponendo che 80% della futura domanda di fosfato di ferro e litio saranno realizzate attraverso il percorso del processo di fosfato di ferro, la domanda globale di fosfato di ferro e litio di 2,724 milioni di tonnellate nel 2025 corrisponderà a circa 2,09 milioni di tonnellate di domanda di fosfato di ferro. Secondo il piano di capacità di produzione di fosfato di ferro a settembre 2021, supererà le 300 tonnellate. milioni di tonnellate, prevediamo una fornitura sufficiente di fosfato di ferro a lungo termine.
Fonte di ferro: le aziende produttrici di biossido di titanio hanno il vantaggio di avere una fonte di ferro quando entrano nel business del litio ferro fosfato
Le aziende di biossido di titanio hanno fonti di ferro a costo zero e godono di effetti sinergici. Il solfato ferroso, un sottoprodotto dell'impresa di biossido di titanio con acido solforico, è la fonte di ferro nelle materie prime per la produzione di fosfato di ferro e litio. La produzione di una singola tonnellata di biossido di titanio può produrre circa 3 tonnellate di solfato ferroso. È difficile elaborare una grande quantità di rifiuti solidi di solfato ferroso. L'accatastamento e lo smaltimento causano problemi di inquinamento ambientale e sprecano risorse. Dopo il pretrattamento, i rifiuti solidi di solfato ferroso possono essere utilizzati per produrre fosfato di ferro di grado batteria e quindi produrre materiali per batterie al litio e ferro, il che migliora l'utilizzo delle risorse, riduce il costo delle materie prime per la produzione di fosfato di ferro e litio e ha significativi effetti sinergici. Calcolato in base al prezzo medio di mercato delle materie prime nel 21H1, la fornitura di fonti di ferro può far risparmiare 1.676 yuan per tonnellata di costo rispetto alle imprese di esternalizzazione delle fonti di ferro. Man mano che il percorso di processo per il solfato ferroso per preparare materiali per batterie al litio ferro fosfato si apre gradualmente, ha portato opportunità all'intero settore del biossido di titanio. Alcune aziende hanno eliminato i prodotti di solfato ferroso purificato, mentre altre aziende hanno sfruttato i loro vantaggi in termini di risorse per cogliere l'opportunità di entrare nel campo dei nuovi materiali per batterie energetiche.
Fonte di fosforo: le aziende chimiche del fosforo hanno vantaggi in termini di costi quando entrano nel settore del litio ferro fosfato
Le aziende fornitrici di fonti di fosforo hanno maggiori vantaggi in termini di costi. Secondo il calcolo del prezzo medio di mercato nel 21H1, se l'acido fosforico ad alta purezza 85% viene acquistato come fonte di fosforo, il costo della fonte di fosforo di una singola tonnellata di fosfato di ferro e litio è di circa 4.124 yuan. Per le aziende di risorse di roccia fosfatica che utilizzano la tecnologia di purificazione a umido per produrre autonomamente acido fosforico, il costo per tonnellata è Il costo della fonte di fosforo per tonnellata di fosfato di ferro e litio è di circa 1.989 yuan/tonnellata. Le aziende di fosfato di ferro e litio che forniscono le proprie fonti di fosforo hanno un vantaggio in termini di costi di circa 2.135 yuan/tonnellata. Rispetto alle aziende di biossido di titanio che forniscono fonti di ferro, hanno un maggiore vantaggio in termini di costi.
Il fosfato di ferro e litio ha notevolmente aumentato il valore aggiunto delle risorse di fosforo. Nel tradizionale campo dei fertilizzanti agricoli, una singola tonnellata di fertilizzante agricolo fosfato monoammonico richiede circa 1,75 tonnellate di roccia fosfatica e una singola tonnellata di roccia fosfatica può generare un profitto di circa 172 yuan. Il consumo unitario di minerale di fosfato di ferro e litio è di circa 2,26 tonnellate. Secondo il prezzo medio di mercato del 21H1, il profitto del settore di una singola tonnellata di fosfato di ferro e litio è di circa 4.439 yuan, quindi una singola tonnellata di minerale di fosfato corrisponde a un margine di profitto di 1.964 yuan. Il fosfato di ferro e litio ha un elevato valore aggiunto e può portare più di 10 volte il reddito dei fertilizzanti agricoli, aprendo una finestra per il miglioramento della valutazione per le aziende chimiche del fosforo.
Le aziende chimiche del fosforo hanno risorse di fosforo e accumulo di tecnologia. L'acido fosforico ad alta purezza per batterie o il fosfato monoammonico di grado industriale è un importante materiale di origine del fosforo nella produzione di fosfato di ferro e litio. Le aziende chimiche tradizionali del fosforo hanno vantaggi in termini di risorse di fosforo; a breve termine, le aziende con capacità di produzione di fosfato di ammonio ad alta purezza/fosfato di ammonio di grado industriale avranno fosfato di ferro Fonte diretta di fosforo di litio, risorse di padronanza e vantaggi tecnologici.