ویژگیهای اصلی: باتریهای لیتیوم فلز فسفات (LiFePO₄، LFP) که از لیتیوم فلز فسفات بهعنوان ماده فعال الکترود مثبت، گرافیت بهعنوان الکترود منفی و محلول کربنات مخلوط بهعنوان الکترولیت استفاده میکنند، در حال حاضر نوع اصلی باتریها در زمینههای تأمین انرژی و ذخیرهسازی انرژی هستند. مزایای اصلی آنها در ایمنی، عمر طولانی، دوستدار محیطزیست بودن و مقرونبهصرفه بودن قرار دارد. پلتفرم ولتاژ آنها در سطح ثابت ۳٫۲ ولت است، واکنشهای شیمیایی در حین شارژ و دشارژ ملایم هستند و پایداری حرارتی بسیار بالایی از خود نشان میدهند. این باتریها میتوانند تستهای سختگیرانه ایمنی مانند نفوذ سوزن، فشار دادن و نگهداری در دمای بالا را با موفقیت پشت سر بگذارند و الزامات استاندارد GB 38031-2020 را برآورده کنند. در مدت ۵ دقیقه پس از وقوع ناپایداری حرارتی، هیچ خطری از آتشسوزی یا انفجار وجود ندارد که این امر مزیت ایمنی قابلتوجهی را نسبت به باتریهای سهعنصری ایجاد میکند.
طول عمر چرخهای یک مزیت رقابتی اصلی است. بر اساس استاندارد ملی GB/T 36276 و با در نظر گرفتن کاهش ظرفیت تا ۸۰٪ بهعنوان معیار، محصولات رایج در عمق تخلیه (DOD) ۸۰٪ به ۳۰۰۰ تا ۴۰۰۰ چرخه دست مییابند، در حالی که محصولات پرداختبالا در آزمایشهای آزمایشگاهی میتوانند از ۶۰۰۰ چرخه نیز فراتر روند. در کاربردهای عملی، سناریوهای ذخیرهسازی انرژی خانگی از محدوده شارژ و دشارژ ۲۰٪ تا ۸۰٪ SOC استفاده میکنند و سالانه تنها ۲٫۵٪ کاهش ظرفیت دارند که منجر به طول عمری بین ۱۲ تا ۱۵ سال میشود؛ در حالت شارژ و دشارژ سطحی ۵۰٪، تعداد چرخهها میتواند تا ۸۰۰۰ گسترش یابد که بهطور کامل با نیازهای چرخهزنی پرفرکانس ذخیرهسازی انرژی فتوولتائیک هماهنگ است.
پیشرفتهای فناوری مداوم در حال رفع کمبودهای عملکردی هستند. محصولات نسل چهارم با چگالی ولتاژ بالا، وارد تولید انبوه در مقیاس بزرگ شدهاند؛ این محصولات دارای چگالی انرژی ۱۹۰ واتساعت بر کیلوگرم در سلول تکی و چگالی انرژی سیستمی بیش از ۲۰۵ واتساعت بر کیلوگرم هستند که به سطح باتریهای سهعنصری نزدیک شدهاند. همزمان، با بهینهسازی این محصولات با الکترولیتهای جدید و فناوریهای مدیریت حرارتی، کاهش برد در محیطهای پاییندمایی (°C-۳۰) در حد ۲۰٪ کنترل شده است و فناوری شارژ فوقسریع ۴C قادر است ظرف ۱۵ دقیقه به ۸۰٪ ظرفیت شارژ برسد؛ این امر نقاط دردناک سنتی مربوط به عملکرد در دمای پایین و شارژ سریع را حل میکند.
مزایای زیستمحیطی و اقتصادی این باتریها برجسته است. این باتریها حاوی فلزات سنگین کمیابی مانند کبالت و نیکل نیستند، با مقررات زیستمحیطی RoHS و REACH سازگارند، انتشار کربن آنها در طول دوره عمرشان پایین است و پس از خارج شدن از سرویس، میتوان آنها را بر اساس استاندارد GB/T 34015-2017 بهصورت بیخطر پراکنده کرد و بازیافت نمود. همچنین، بهدلیل دسترسی آسان به مواد اولیه، هزینه تولید این باتریها ۱۵ تا ۲۰ درصد کمتر از باتریهای لیتیومی سهعنصری است. علاوه بر این، سیستم مدیریت باتری (BMS) از هشدار خطا در سه سطح و پاسخدهی قطعکننده مدار در مقیاس میلیثانیهای پشتیبانی میکند و نیازمندیهای طراحی افزونگی را برای نیروگاههای ذخیرهسازی انرژی مقیاسبالا برآورده میسازد.
کاربرد های معمول: با توجه به ویژگیهای عملکردی آن، این محصول کاربردهای متنوعی را بهطور گسترده پوشش میدهد. در بخش خودروهای انرژی نو، محصولاتی مانند باتری بلید (Blade Battery) شرکت BYD، عملکرد پایدار خودرو را تا ۶۰۰٬۰۰۰ کیلومتر تضمین میکنند؛ در حوزه ذخیرهسازی انرژی، این فناوری سهم عمدهای در پروژههای ذخیرهسازی انرژی خورشیدی/بادی و همچنین پروژههای تسطیح اوج بار شبکه دارد و همچنین برای سیستمهای ذخیرهسازی انرژی خانگی نیز مناسب است؛ در سناریوهای تجاری، اتوبوسهای برقی، خودروهای برقی کمسرعت و ایستگاههای پایه ارتباطی — تجهیزاتی که نیازمند ایمنی بالا و عمر طولانی هستند — همگی از این فناوری بهعنوان منبع تغذیه اصلی خود استفاده میکنند. اندازه بازار جهانی این محصول روند رشد سالانه مرکب بیش از ۲۰ درصد را حفظ میکند و پیشبینی میشود تا سال ۲۰۲۸ از ۱۵۰ میلیارد یوان چینی فراتر رود.
فرآیند تهیه مواد کاتدی رایج: ماده کاتدی مؤلفه اصلی تعیینکننده عملکرد باتری است و تهیه آن شامل دو مرحله کلیدی است: تهیه پیشماده و سنتز. روش جامدفازی کاهش کربوترمال، فرآیند صنعتی رایج است.
مرحله اول شامل تهیه پیشماده فسفات آهن است. در این مرحله از سولفات آهن(II) هفتآبه بهعنوان منبع آهن و اسید فسفریک صنعتی بهعنوان منبع فسفر استفاده میشود؛ سپس Fe²⁺ با استفاده از پراکسید هیدروژن به Fe³⁺ اکسید میشود. برای تنظیم pH به محدوده ۱٫۵ تا ۲٫۵ از آب آمونیاک استفاده شده و فسفات آهن رسوب داده میشود. پس از فیلتراسیون با فیلتر صفحهای-قابی و شستوشوی مواد با آب خالص جهت حذف ناخالصیها، ماده در یک فرآیند خشککردن لحظهای (فلشدرای) قرار گرفته و سپس در دمای ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد کلسینه میشود تا پیشماده فسفات آهن دیهیدرات با کیفیت باتری و با نسبت آهن به فسفر تقریبی ۰٫۹۷:۱ بهدست آید.
دومین مرحله، سنتز فسفات لیتیوم-آهن است. فسفات آهن بیآب، کربنات لیتیوم (با نسبت استوکیومتری ۱۰۵ درصد) و منبع کربن گلوکز بهصورت متناسب مخلوط میشوند. این مخلوط با روش خردایش مرطوب به صورت سوسپانسیون ریزی با D50 برابر با ۰٫۲ تا ۰٫۶ میکرومتر تبدیل میشود. پس از خشککردن با پاشش، ماده در کوره غلتکی و تحت حفاظت نیتروژن قرار گرفته و فرآیند پخت دومرحلهای انجام میشود: ابتدا تجزیه اولیه مواد اولیه در دمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۴ ساعت و سپس افزایش دما تا ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد برای مدت ۹ تا ۲۰ ساعت جهت تکمیل کاهش کربوترمال. منبع کربن، یون Fe³⁺ را به Fe²⁺ کاهش داده و لایهای هادی از کربن را روی سطح ذرات تشکیل میدهد. پس از پخت، ماده تحت فرآیند خردایش جت هوایی، غربالگری طبقهبندیشده و حذف آهن با استفاده از مغناطیس قوی قرار میگیرد تا در نهایت ماده کاتدی ترکیبی مشکی با ساختار بلوری اولیوئین و ظرفیت ویژهای برابر با ۱۵۵ تا ۱۶۵ میلیآمپرساعت بر گرم بهدست آید.
روش فاز مایع بهعنوان یک فرآیند تکمیلی عمل میکند که نمونهای از آن روش تبخیر خودگرمکننده شرکت دِفانگ نانو است. این فرآیند سادهتر است: پس از اختلاط و حلشدن مواد اولیه در یک سوسپانسیون، مخلوط در یک مخزن واکنش پیشگرم و سپس بهصورت خودبهخود تبخیر میشود تا پیشمادهای ژلمانند با ساختار مشبک (هانیکامب) تشکیل شود. پس از خردکردن اولیه و خشککردن در بستر سیال، ماده تحت عملیات سینتر قرار میگیرد. این روش نیاز به تهیه جداگانه پیشماده فسفات آهن را حذف میکند و منجر به همگنتر شدن اختلاط مواد میشود، اما کنترل دقیقتر دمای فرآیند را میطلبد. در حال حاضر، عمدتاً در تولید باتریهای ذخیرهسازی انرژی پیشرفته بهکار میرود.
II. مونتاژ سلول و فرآیندهای پساز مونتاژ: پس از آمادهسازی ماده کاتد، این ماده تحت فرآیندهای پوششدهی، غلتاندن و برش قرار میگیرد تا صفحه کاتد تشکیل شود. سپس این صفحه بهصورت انباشته یا پیچیدهشده با صفحه آند گرافیتی و جداساز (سبک) در ساختار «کاتد–جداساز–آنود» ترکیب شده و در پوسته آلومینیومی (برای باتریهای مکعبی) یا پوسته فولادی (برای باتریهای استوانهای) قرار میگیرد تا سلول تشکیل شود. پس از تزریق الکترولیت مخلوط بر پایه کربنات، سلول تحت فرآیند تشکیل (فورمیشن) قرار میگیرد تا فعال شود. برای تشکیل لایه عبورناپذیر SEI روی سطح الکترودها از شارژ با جریان ثابت و ولتاژ ثابت استفاده میشود. در نهایت، فرآیندهای سنگرفتن (ایجینگ)، آزمون ظرفیت و دستهبندی انجام میشوند تا محصولاتی با ظرفیت یا مقاومت داخلی نامناسب حذف شوند و همگنی سلولها تضمین گردد.
