Características essenciais: As baterias de fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄, LFP), que utilizam fosfato de ferro e lítio como material ativo do eletrodo positivo, grafite como eletrodo negativo e uma solução mista de carbonatos como eletrólito, são atualmente o tipo de bateria predominante nos campos de propulsão e armazenamento de energia. Suas principais vantagens residem na segurança, longa vida útil, respeito ao meio ambiente e relação custo-benefício. Sua plataforma de tensão é estável em 3,2 V, as reações químicas durante os ciclos de carga e descarga são suaves e apresentam uma estabilidade térmica extremamente elevada. Elas conseguem passar em testes rigorosos de segurança, como perfuração com agulha, compressão e armazenamento em alta temperatura, atendendo aos requisitos da norma GB 38031-2020. Não há risco de incêndio ou explosão nos 5 minutos seguintes à fuga térmica, demonstrando uma vantagem significativa em termos de segurança em comparação com as baterias de íons de lítio de tri-metal (ternárias).
A vida útil em ciclos é uma vantagem competitiva fundamental. De acordo com a norma nacional GB/T 36276, adotando a degradação da capacidade até 80% como critério, os produtos convencionais atingem 3.000–4.000 ciclos a uma profundidade de descarga (DOD) de 80%, enquanto os produtos de alta gama podem superar 6.000 ciclos em testes laboratoriais. Nas aplicações práticas, nos cenários de armazenamento residencial de energia, utiliza-se uma faixa de carga e descarga de 20% a 80% do estado de carga (SOC), com uma degradação anual de apenas 2,5%, resultando em uma vida útil de 12 a 15 anos; em um modo de carga e descarga rasa de 50%, o número de ciclos pode ser estendido a 8.000, atendendo perfeitamente aos requisitos de ciclagem de alta frequência do armazenamento de energia fotovoltaica.
Os avanços tecnológicos contínuos estão resolvendo as deficiências de desempenho. Os produtos de alta densidade de tensão da quarta geração já alcançaram a produção em larga escala, com densidade energética por célula de 190 Wh/kg e densidade energética do sistema superior a 205 Wh/kg, aproximando-se do nível das baterias de níquel-manganês-cobalto (ternárias). Simultaneamente, por meio da otimização com novos eletrólitos e tecnologias de gerenciamento térmico, a redução de autonomia em ambientes de baixa temperatura (-30 °C) é controlada em até 20%, e a tecnologia de carregamento ultrarrápido 4C permite atingir 80 % de carga em 15 minutos, solucionando os pontos críticos tradicionais relacionados ao desempenho em baixas temperaturas e ao carregamento rápido.
As vantagens ambientais e de custo são proeminentes. Eles não contêm metais pesados escassos, como cobalto e níquel, cumprem as regulamentações ambientais RoHS e REACH, apresentam baixas emissões de carbono ao longo de seu ciclo de vida e podem ser desmontados e reciclados de forma inofensiva, conforme a norma GB/T 34015-2017, após sua desativação. Devido à disponibilidade imediata das matérias-primas, o custo é 15%–20% inferior ao das baterias de lítio ternárias. Além disso, o sistema de gerenciamento de baterias (BMS) suporta alertas de falha em três níveis e resposta do disjuntor em escala de milissegundos, atendendo aos requisitos de projeto redundante de usinas de armazenamento de energia em larga escala.
Aplicações típicas: Graças às suas características de desempenho, cobre amplamente diversos cenários de aplicação. No setor de veículos de nova energia, produtos como a Bateria Lâmina da BYD suportam uma operação estável do veículo por 600.000 quilômetros; no campo do armazenamento de energia, domina projetos de armazenamento de energia fotovoltaica/eólica e de nivelamento de picos na rede elétrica, além de ser adequada também para sistemas domésticos de armazenamento de energia; em cenários comerciais, ônibus elétricos, veículos elétricos de baixa velocidade e estações-base de comunicação — equipamentos com elevados requisitos de segurança e longa vida útil — utilizam-na como sua fonte de energia principal. O tamanho do mercado global mantém uma taxa de crescimento anual composta superior a 20% e deverá ultrapassar 150 bilhões de yuans até 2028.
Processo Principal de Preparação do Material Catódico: O material catódico é o componente central que determina o desempenho da bateria, e sua preparação envolve duas etapas-chave: preparação do precursores e síntese. O método sólido de redução carbotérmica é o processo industrial predominante.
A primeira etapa envolve a preparação do precursor fosfato de ferro. Utilizando sulfato ferroso heptahidratado como fonte de ferro e ácido fosfórico industrial como fonte de fósforo, o Fe²⁺ é oxidado para Fe³⁺ com peróxido de hidrogênio. A água amoniacal é utilizada para ajustar o pH para 1,5–2,5, promovendo a precipitação do fosfato de ferro. Após filtração em prensa de placas e quadros e lavagem com água pura para remoção de impurezas, o material é secado por flash e calcinado a 500–600 °C, obtendo-se o precursor di-hidratado de fosfato de ferro para baterias, com uma razão ferro-fósforo de aproximadamente 0,97:1.
O segundo passo é a síntese do fosfato de lítio e ferro. O fosfato de ferro anidro, o carbonato de lítio (em uma proporção estequiométrica de 105%) e uma fonte de carbono à base de glicose são misturados nas proporções adequadas. A mistura é moída úmida até formar uma pasta fina com D50 de 0,2–0,6 μm. Após a secagem por pulverização, o material é levado a um forno contínuo de rolos sob atmosfera de nitrogênio, utilizando um processo de sinterização em duas etapas: pré-decomposição dos materiais brutos a 350 °C por 4 horas, seguida de aquecimento a 700–800 °C por 9–20 horas para conclusão da redução carbotérmica. A fonte de carbono reduz Fe³⁺ a Fe²⁺ e forma uma camada condutora de carbono na superfície das partículas. Após a sinterização, o material é submetido à moagem a jato de ar, classificação por peneiramento e remoção magnética intensa de ferro, obtendo-se, ao final, um material catódico composto negro com estrutura cristalina do tipo olivina e capacidade específica de 155–165 mAh/g.
O método em fase líquida funciona como um processo complementar, exemplificado pelo método de evaporação autoaquecida da Defang Nano. Esse processo é mais simples: após a mistura e dissolução das matérias-primas em uma pasta, a mistura é pré-aquecida e evaporada por autoevaporação em um tanque de reação para formar um precursores de gel com estrutura semelhante à de favo de mel. Após a britagem inicial e a secagem em leito fluidizado, o material é sinterizado. Esse método elimina a necessidade de preparação separada do precursores de fosfato de ferro, resultando em uma mistura mais uniforme dos materiais, mas exige maior precisão no controle de temperatura. Atualmente, é utilizado principalmente na produção de baterias de armazenamento de energia de alta gama. II. Montagem da célula e processamento pós-montagem: Após a preparação do material do eletrodo positivo, este passa por revestimento, laminação e corte para formar a folha do eletrodo positivo. Em seguida, essa folha é empilhada ou enrolada juntamente com a folha do eletrodo negativo de grafite e o separador, numa estrutura "positivo-separador-negativo", e colocada em uma carcaça de alumínio (para baterias prismáticas) ou em uma carcaça de aço (para baterias cilíndricas), formando assim a célula. Após a injeção do eletrólito misto à base de carbonato, a célula passa por um processo de formação para ativá-la. Utiliza-se carga com corrente constante e tensão constante para formar uma película passivante SEI na superfície dos eletrodos. Por fim, são realizados os processos de envelhecimento, teste de capacidade e classificação, a fim de eliminar produtos com capacidade ou resistência interna fora das especificações, garantindo assim a consistência das células.
