Główne cechy: Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO₄, LFP), wykorzystujące litowo-żelazowo-fosforan jako aktywny materiał elektrody dodatniej, grafit jako elektrodę ujemną oraz roztwór mieszany węglanów jako elektrolit, są obecnie dominującym typem baterii w dziedzinach napędu i magazynowania energii. Ich kluczowe zalety to bezpieczeństwo, długa żywotność oraz przyjazność dla środowiska i opłacalność. Stabilna wartość napięcia roboczego wynosi 3,2 V, reakcje chemiczne podczas ładowania i rozładowania przebiegają łagodnie, a baterie charakteryzują się wyjątkowo wysoką stabilnością termiczną. Przechodzą rygorystyczne testy bezpieczeństwa, takie jak penetracja igłą, ucisk oraz przechowywanie w wysokiej temperaturze, spełniając wymagania normy GB 38031-2020. W ciągu 5 minut po wystąpieniu niestabilności termicznej nie występuje zagrożenie pożarem ani eksplozją, co stanowi istotną przewagę bezpieczeństwa w porównaniu z bateriami trójskładnikowymi.
Życie cykliczne to kluczowa zaleta konkurencyjna. Zgodnie z krajowym standardem GB/T 36276, przy założeniu degradacji pojemności do 80% jako kryterium, produkty typowe osiągają 3000–4000 cykli przy głębokości rozładowania (DOD) wynoszącej 80%, podczas gdy produkty wysokiej klasy mogą przekroczyć 6000 cykli w testach laboratoryjnych. W praktycznych zastosowaniach w przypadku systemów magazynowania energii w gospodarstwach domowych zakres ładowania i rozładowania wynosi 20–80% SOC, a roczna degradacja pojemności wynosi zaledwie 2,5%, co zapewnia okres użytkowania trwający 12–15 lat; w trybie płytkiego ładowania i rozładowania przy 50% liczba cykli może zostać wydłużona do 8000, co idealnie odpowiada wymogom wysokiej częstotliwości cykli w zastosowaniach magazynowania energii fotowoltaicznej.
Ciągłe postępy technologiczne eliminują niedoskonałości w zakresie wydajności. Produkty o wysokiej gęstości napięcia czwartej generacji osiągnęły masową produkcję przemysłową, przy czym gęstość energii na pojedynczą komórkę wynosi 190 Wh/kg, a gęstość energii systemu przekracza 205 Wh/kg, co zbliża je do poziomu baterii trójkomponentowych. Jednocześnie dzięki optymalizacji z wykorzystaniem nowych elektrolitów oraz technologii zarządzania temperaturą redukcja zasięgu w niskotemperaturowych warunkach –30 °C została ograniczona do maksymalnie 20%, a technologia nadprędkościowego ładowania 4C umożliwia naładowanie do 80% w ciągu 15 minut, rozwiązując tradycyjne problemy związane z wydajnością w niskich temperaturach oraz szybkim ładowaniem.
Wyróżniają się korzyściami środowiskowymi i kosztowymi. Nie zawierają rzadkich metali ciężkich, takich jak kobalt i nikiel, spełniają wymagania środowiskowe norm RoHS i REACH, generują niskie emisje dwutlenku węgla w całym cyklu życia oraz po wycofaniu z eksploatacji mogą być bezpiecznie demontowane i przetworzone w procesie recyklingu zgodnie ze standardem GB/T 34015-2017. Ze względu na łatwo dostępną surowcowo bazę materiałową ich koszt jest o 15–20% niższy niż koszt akumulatorów litowo-cobaltowo-manganowych (ternarnych). Ponadto system zarządzania baterią (BMS) zapewnia trzystopniowe ostrzeganie przed usterkami oraz reakcję wyzwalania przerywacza obwodu w skali milisekund, spełniając wymagania projektowe dotyczące nadmiarowości (redundancji) dużych elektrowni magazynujących energię.
Typowe zastosowania: Dzięki swoim charakterystykom wydajnościowym obejmuje ono szeroki zakres różnych scenariuszy zastosowania. W sektorze pojazdów z napędem nowej energii produkty takie jak bateria typu Blade firmy BYD zapewniają stabilną pracę pojazdu przez 600 000 kilometrów; w dziedzinie magazynowania energii dominuje w projektach magazynowania energii pochodzącej z fotowoltaiki i energii wiatrowej oraz w projektach przycinania szczytów obciążenia w sieci energetycznej, a także nadaje się do systemów domowego magazynowania energii; w zastosowaniach komercyjnych jako podstawowe źródło zasilania wykorzystywane jest w elektrycznych autobusach miejskich, niskoprędkościowych pojazdach elektrycznych oraz stacjach bazowych telekomunikacyjnych – urządzeniach o wysokich wymaganiach dotyczących bezpieczeństwa i długiej trwałości. Globalny rozmiar rynku utrzymuje się na poziomie rocznego złożonego tempa wzrostu przekraczającego 20% i ma przekroczyć 150 miliardów juanów chińskich (RMB) do roku 2028.
Główny proces przygotowania materiału katodowego: Materiał katodowy jest kluczowym składnikiem decydującym o wydajności baterii, a jego przygotowanie obejmuje dwa kluczowe etapy: przygotowanie prekursora oraz synteza. Przemysłowy proces redukcji w fazie stałej z użyciem węgla (metoda karboredukcyjna) jest głównym stosowanym procesem przemysłowym.
Pierwszy etap obejmuje przygotowanie prekursora fosforanu żelaza. Jako źródło żelaza stosuje się siarczan żelaza(II) heptahydrat, a jako źródło fosforu – przemysłowy kwas fosforowy; Fe²⁺ utlenia się do Fe³⁺ za pomocą nadtlenku wodoru. Wodorotlenek amonu (woda amoniakalna) służy do regulacji pH do wartości 1,5–2,5 w celu strącenia fosforanu żelaza. Po filtracji płytowo-ramkowej oraz płukaniu czystą wodą w celu usunięcia zanieczyszczeń materiał poddaje się suszeniu błyskawicznemu i prażeniu w temperaturze 500–600 °C, uzyskując prekursor fosforanu żelaza dwuwodnego o stopniu czystości przeznaczonym do produkcji baterii, o stosunku żelazo do fosforu wynoszącym około 0,97:1.
Drugim krokiem jest synteza fosforanu litowo-żelaza. Bezwodny fosforan żelaza, węglan litu (w stosunku stechiometrycznym wynoszącym 105%) oraz źródło węgla w postaci glukozy są mieszane w odpowiednich proporcjach. Mieszaninę poddaje się mleczeniu mokremu, uzyskując drobnoziarnistą zawiesinę o średnicy D50 wynoszącej 0,2–0,6 μm. Po suszeniu rozpyłowego materiał wprowadzany jest do pieca taśmowego w atmosferze azotu, z zastosowaniem dwuetapowego spiekania: najpierw następuje wstępne rozkładanie surowców w temperaturze 350 °C przez 4 godziny, a następnie ogrzewanie do temperatury 700–800 °C przez 9–20 godzin w celu ukończenia redukcji karbotermicznej. Źródło węgla redukuje jony Fe³⁺ do Fe²⁺ oraz tworzy przewodzącą powłokę węglową na powierzchni cząstek. Po spiekaniu materiał poddawany jest mieleniu strumieniowemu powietrzem, klasyfikacji i sitowaniu oraz usuwaniu żelaza za pomocą silnego pola magnetycznego, co kończy się otrzymaniem czarnego kompozytowego materiału katodowego o strukturze krystalicznej typu oliwin i pojemności właściwej wynoszącej 155–165 mAh/g.
Metoda fazowa ciekła stanowi proces uzupełniający, przykładem czego jest metoda samogrzania i odparowywania firmy Defang Nano. Proces ten jest prostszy: po zmieszaniu i rozpuszczeniu surowców w zawiesinie mieszaninę podgrzewa się wstępnie i poddaje samoodparowaniu w zbiorniku reakcyjnym, tworząc żelowy prekursor o strukturze przypominającej plastry miodu. Po wstępnym mieleniu oraz suszeniu w warstwie fluidalnej materiał poddawany jest spiekaniu. Metoda ta eliminuje konieczność osobnego przygotowywania prekursora fosforanu żelaza, co zapewnia bardziej jednorodne mieszanie składników, ale wymaga wyższej precyzji kontroli temperatury. Obecnie stosowana jest głównie w produkcji wysokiej klasy akumulatorów do magazynowania energii. II. Montaż ogniw i przetwarzanie końcowe: Po przygotowaniu materiału katody dodatniej poddawany on jest nanoszeniu powłoki, walcowaniu oraz cięciu, w wyniku czego powstaje folia katody dodatniej. Następnie folia ta jest układana warstwowo lub zwijana razem z folią anody grafitowej oraz separatorem w strukturze „dodatnia–separator–ujemna”, po czym umieszczana jest w obudowie aluminiowej (dla ogniw prostokątnych) lub stalowej (dla ogniw cylindrycznych), tworząc ogniwo. Po wlewniu mieszanki elektrolitu opartego na węglanach ogniwo poddawane jest procesowi formowania w celu jego aktywacji. Do utworzenia pasywacyjnej warstwy SEI na powierzchni elektrod stosuje się ładowanie prądem stałym i napięciem stałym. Na końcu przeprowadza się proces starzenia, testowanie pojemności oraz sortowanie, aby wyeliminować produkty o niezgodnej pojemności i nieodpowiednim oporze wewnętrznym, zapewniając tym samym spójność ogniw.
