Perusteet Litium-rautafosfaattiakut (LiFePO₄, LFP), joiden positiivisena elektrodin aktiivimateriaalina käytetään litium-rautafosfaattia, negatiivisena elektrodina grafiittia ja elektrolyyttinä sekoitettua karbonaattiliuosta, ovat tällä hetkellä yleisimmät akut teho- ja energiavarastointikentissä. Niiden keskeiset edut ovat turvallisuus, pitkä käyttöikä sekä ympäristöystävällisyys ja kustannustehokkuus. Niiden jännitealusta on vakaa 3,2 V:n tasolla, latauksen ja purkamisen aikaiset kemialliset reaktiot ovat lieviä, ja niillä on erinomainen lämmönkestävyys. Ne kestävät tiukat turvallisuustestit, kuten neulan läpäisytestin, puristustestin ja korkeassa lämmössä suoritettavan varastointitestin, ja täyttävät GB 38031-2020 -standardin vaatimukset. Lämpötilan hallinnan menettämisestä (thermal runaway) aiheutuvan tulipalon tai räjähdyksen vaara puuttuu 5 minuutin ajan, mikä osoittaa merkittävän turvallisuusetun verrattuna kolmikomponenttisiin (ternary) akkuihin.
Käyttöikä on keskitetty kilpailuetu. GB/T 36276 -kansallisstandardin mukaan kapasiteetin heikkenemistä 80 %:iin käytetään mittana, jolloin yleisimmät tuotteet saavuttavat 3000–4000 kierrosta 80 %:n purkutason (DOD) ollessa käytössä, kun taas korkealuokkaisten tuotteiden kierrosmäärä voi laboratoriotesteissä ylittää 6000 kierrosta. Käytännön sovelluksissa kotitalouksien energiavarastointitilanteissa käytetään lataus- ja purkusaluetta 20–80 %:n SOC:n välillä, jolloin vuotuinen kapasiteetin heikkeneminen on vain 2,5 %, mikä johtaa 12–15 vuoden käyttöikään; 50 %:n kevyellä lataus- ja purkutilalla kierrosmäärä voidaan ulottaa 8000 kierrokseen, mikä täyttää täydellisesti fotovoltaisten energiavarastojen korkeataajuisten kiertoprosessien vaatimukset.
Jatkuvat teknologiset edistysaskeleet korjaavat suorituskyvyn puutteita. Neljännen sukupolven korkeajännitteiset tiukkuustuotteet ovat saavuttaneet laajamittaisen sarjatuotannon, jolloin yhden solun energiatiukkuus on 190 Wh/kg ja järjestelmän energiatiukkuus ylittää 205 Wh/kg, mikä on lähellä ternääribatterioiden tasoa. Samanaikaisesti uusien elektrolyyttien ja lämmönhallintateknologioiden optimoinnilla alhaisen lämpötilan –30 °C ympäristöissä tapahtuva matkansädepienennys on rajoitettu alle 20 %:iin, ja 4C:n erinomainen pikalatausteknologia mahdollistaa 80 %:n latauksen 15 minuutissa, mikä ratkaisee perinteiset ongelmat alhaisen lämpötilan suorituskyvyn ja pikalatauksen osalta.
Ympäristölliset ja kustannusedullit ovat merkittäviä. Niissä ei ole harvinaisia raskasmetsämetalleja, kuten kobolttia ja nikkeliä, ne noudattavat RoHS- ja REACH-ympäristöasetuksia, niiden hiilijalanjälki on pieni koko elinkaaren ajan, ja ne voidaan purkaa ja kierrättää vaivattomasti käyttöiän päätyttyä GB/T 34015-2017 -standardin mukaisesti. Koska raaka-aineet ovat helposti saatavilla, niiden hinta on 15–20 % alhaisempi kuin kolmikomponenttisten litiumakkujen. Lisäksi akkujen hallintajärjestelmä (BMS) tukee kolmitasoisia vianvaroituksia ja millisekunnin tarkkuudella toimivaa piirikatkaisijan vastausta, mikä täyttää suurten energiavarastovoimalaitosten turvallisuusvarmuuden vaatimukset.
Tyypillisiä sovelluksia: Sen suoritusominaisuuksien ansiosta se kattaa laajasti erilaisia käyttötilanteita. Uusien energialähteiden ajoneuvojen alalla BYD:n Blade-akku tukee vakavaa ajoneuvon toimintaa 600 000 kilometrin matkalla; energiavarastointialalla se hallitsee valoenergian ja tuulienergian varastointia sekä sähköverkon huippukuorman tasoittamisprojekteja, ja sitä voidaan käyttää myös kotitalouksien energiavarastointijärjestelmissä; kaupallisissa tilanteissa siihen luotetaan turvallisuuden ja pitkän käyttöiän vaatimukset täyttävissä laitteissa, kuten sähköbussit, alhaisen nopeuden sähköajoneuvot ja tietoliikenneasemat – kaikki käyttävät sitä ytimenä olevana voimanlähteenä. Maailmanlaajuinen markkinakoko kasvaa yli 20 %:n vuosittaisella yhdistetyllä kasvuprosentilla, ja sen ennustetaan ylittävän 150 miljardia yuania vuoteen 2028 mennessä.
Yleisesti käytetty katodimateriaalin valmistusprosessi: Katodimateriaali on akun suorituskyvyn määrittävä ydinosa, ja sen valmistus koostuu kahdesta keskeisestä vaiheesta: esikäsittelemisen ja synteesin. Hiilipohjainen termoreduktio kiinteässä faasissa on yleisesti käytetty teollinen prosessi.
Ensimmäinen vaihe koskee rautafosfaatin esikäsittelemistä. Rautalähteenä käytetään rautasulfaattihydraattia (FeSO₄·7H₂O) ja fosforilähteenä teollista fosforihappoa. Fe²⁺-ionit hapetetaan vetyperoksidilla Fe³⁺-ioneiksi. Ammoniakkipitoista liuosta käytetään pH:n säätämiseen arvoon 1,5–2,5, jolloin rautafosfaatti saostuu. Levypainefiltteröinnin ja puhdasta vettä käyttävän pesun jälkeen epäpuhtaukset poistetaan, ja materiaali pikakuivataan sekä kalsinoitaa 500–600 °C:n lämpötilassa saadakseen akkuun soveltuvaa rautafosfaattidihydraattia esikäsittelemällä, jonka rauta-fosfori-suhde on noin 0,97:1.
Toinen vaihe on litium-rautafosfaatin synteesi. Anhyydri rautafosfaatti, litiumkarbonaatti (stöiömetrisella suhteella 105 %) ja glukoosi hiililähteenä sekoitetaan suhteessa. Seos jauhetaan kosteana jauhintaan, jolloin saadaan hieno liuoksellinen suspensio, jonka D50-arvo on 0,2–0,6 μm. Spraykuivatuksen jälkeen materiaali siirretään rullakuurnaan typpisuojassa kahden vaiheen sinteröintiprosessissa: raaka-aineiden esihajottaminen 350 °C:n lämpötilassa neljäksi tunniksi, jonka jälkeen lämpötila nostetaan 700–800 °C:seen ja pidetään siinä 9–20 tuntia, jotta hiililämmitetty pelkistys voidaan suorittaa loppuun. Hiililähde pelkistää Fe³⁺-ionit Fe²⁺-ioneiksi ja muodostaa johtavan hiilipinnoitteen hiukkasten pinnalle. Sinteröinnin jälkeen materiaali jauhetaan ilmavirtajauhimella, luokitellaan seulonnalla ja poistetaan vahvalla magneetilla rauta, jolloin saadaan lopulta mustaa yhdistelmäkatodimateriaalia, jolla on oliivi-kide-rakenne ja erityiskapasiteetti 155–165 mAh/g.
Nestefaasimenetelmä toimii täydentävänä prosessina, ja esimerkkinä tästä on Defang Nanon omaan lämmitykseen perustuva höyrystämismenetelmä. Tämä prosessi on yksinkertaisempi: raaka-aineet sekoitetaan ja liuotetaan lietteeksi, jonka jälkeen seoksen esikuumennetaan ja se höyrystetään itsestään reaktiotankissa muodostaakseen hunajakennojen kaltaisen geeliesiaineen. Alustavan murskauksen ja fluidisoitun kantaman kuivatuksen jälkeen materiaali sinteröidään. Tämä menetelmä poistaa erillisen rautafosfaattiesiaineen valmistuksen tarpeen, mikä johtaa yhtenäisempään materiaalin sekoittamiseen, mutta vaatii tarkempaa lämpötilan säätöä. Tällä hetkellä sitä käytetään pääasiassa korkealaatuisten energiavarastointiparien tuotannossa. II. Kennojen kokoonpano ja jälkikäsittely: Kun positiivinen elektrodimateriaali on valmistettu, siihen tehdään pinnoitus, puristus ja leikkaus, jolloin muodostuu positiivinen elektrodilevy. Tämä levymäinen elektrodi asetetaan sitten pinnoitukseen tai kierretään grafiittipohjaisen negatiivisen elektrodilevyn ja erottimen kanssa "positiivi-erottin-negatiivi" -rakenteeseen ja sijoitetaan alumiinikuoreen (suorakulmaisille kennoille) tai teräskuoreen (sylinterimäisille kennoille), jolloin muodostuu kenno. Kun karbonaattipohjainen sekoittelektrolyytti on injektoitu kennoon, suoritetaan aktivointiprosessi (formation). SEI-passivoitumiskalvon muodostamiseksi elektrodin pinnalle käytetään vakiovirtaista ja vakiojännitteistä latausta. Lopuksi suoritetaan ikääntymistestaus, kapasiteettitesti ja lajittelu, jotta voidaan poistaa tuotteet, joiden kapasiteetti tai sisäinen vastus eivät täytä vaadittuja vaatimuksia, mikä takaa kennojen yhtenäisyyden.
