Основные характеристики: Литий-железо-фосфатные (LiFePO₄, LFP) аккумуляторы, в которых в качестве активного материала положительного электрода используется литий-железо-фосфат, в качестве отрицательного электрода — графит, а в качестве электролита — смешанный карбонатный раствор, в настоящее время являются основным типом аккумуляторов в областях силовых установок и накопления энергии. Их ключевые преимущества — безопасность, длительный срок службы, экологичность и экономическая эффективность. Напряжение на платформе стабильно и составляет 3,2 В, химические реакции при зарядке и разрядке протекают мягко, а термостабильность чрезвычайно высока. Они успешно проходят строгие испытания на безопасность, такие как прокол иглой, сдавливание и хранение при высокой температуре, соответствуют требованиям стандарта GB 38031-2020. В течение 5 минут после термического разгона отсутствует риск возгорания или взрыва, что демонстрирует значительное преимущество в безопасности по сравнению с аккумуляторами на основе тройных материалов.
Срок службы в циклах является ключевым конкурентным преимуществом. Согласно национальным стандартам GB/T 36276, при снижении ёмкости до 80 % типовые продукты обеспечивают 3000–4000 циклов при глубине разряда (DOD) 80 %, тогда как высококлассные продукты в лабораторных испытаниях могут превышать 6000 циклов. На практике в бытовых системах накопления энергии используется диапазон заряда и разряда от 20 % до 80 % SOC, что обеспечивает ежегодное снижение ёмкости всего на 2,5 % и общий срок службы 12–15 лет; при режиме мелкого заряда и разряда с глубиной 50 % количество циклов может быть увеличено до 8000, что идеально соответствует требованиям высокочастотного циклирования в системах накопления энергии на основе фотогальваники.
Постоянные технологические усовершенствования позволяют устранять недостатки в производительности. Продукты четвертого поколения с высокой плотностью напряжения уже запущены в крупносерийное производство: удельная энергоёмкость одной ячейки составляет 190 Вт·ч/кг, а энергоёмкость системы превышает 205 Вт·ч/кг, приближаясь к уровню литий-никель-кобальт-марганцевых (NMC) аккумуляторов. Одновременно за счёт оптимизации с применением новых электролитов и технологий теплового управления снижение запаса хода в условиях низких температур (–30 °C) ограничено 20 %, а технология ультрабыстрой зарядки 4C позволяет достичь уровня заряда 80 % всего за 15 минут, решая традиционные проблемы, связанные с работой при низких температурах и скоростью зарядки.
Экологические и экономические преимущества являются очевидными. В их составе отсутствуют дефицитные тяжёлые металлы, такие как кобальт и никель; они соответствуют экологическим нормативам RoHS и REACH, характеризуются низким уровнем выбросов углерода на протяжении всего жизненного цикла и могут быть безопасно демонтированы и переработаны в соответствии со стандартом GB/T 34015-2017 после вывода из эксплуатации. Благодаря широкой доступности исходных материалов стоимость таких аккумуляторов на 15–20 % ниже стоимости литий-никель-кобальт-марганцевых (NMC) аккумуляторов. Кроме того, система управления батареей (BMS) поддерживает трёхуровневое предупреждение о неисправностях и срабатывание автоматического выключателя на уровне миллисекунд, что соответствует требованиям избыточного проектирования для крупных электростанций накопления энергии.
Типичные применения: Благодаря своим эксплуатационным характеристикам он охватывает широкий спектр сфер применения. В секторе новых энергетических транспортных средств продукты, такие как лопастная батарея BYD, обеспечивают стабильную работу транспортного средства на протяжении 600 000 километров; в области накопления энергии он доминирует в проектах накопления энергии от фотоэлектрических и ветровых электростанций, а также в проектах сглаживания пиковых нагрузок в электросетях, а также подходит для систем домашнего накопления энергии; в коммерческих сферах его используют в качестве основного источника питания для электробусов, низкоскоростных электромобилей и базовых станций связи — оборудования, предъявляющего высокие требования к безопасности и длительному сроку службы. Объём мирового рынка сохраняет совокупный годовой темп роста свыше 20 % и, как ожидается, превысит 150 млрд юаней к 2028 году.
Основной процесс подготовки катодного материала: Катодный материал является ключевым компонентом, определяющим характеристики аккумулятора, и его получение включает два основных этапа: подготовку прекурсора и синтез. Промышленным стандартом является метод твёрдой фазы с карботермическим восстановлением.
На первом этапе готовят прекурсор фосфата железа. В качестве источника железа используется сульфат железа(II) семиводный, а в качестве источника фосфора — промышленная фосфорная кислота; Fe²⁺ окисляют до Fe³⁺ перекисью водорода. Для регулирования pH до значения 1,5–2,5 применяют аммиачную воду, что обеспечивает осаждение фосфата железа. После фильтрации на рамно-фильтровальной установке и промывки чистой водой для удаления примесей материал подвергают мгновенной сушке и кальцинируют при температуре 500–600 °C, получая прекурсор дигидрата фосфата железа батарейного качества с соотношением железо:фосфор, составляющим приблизительно 0,97:1.
Вторым этапом является синтез литий-железо-фосфата. Безводный железо-фосфат, карбонат лития (в стехиометрическом соотношении 105 %) и углеродный источник в виде глюкозы смешиваются в заданной пропорции. Полученную смесь подвергают влажному измельчению до получения тонкой суспензии с D50 = 0,2–0,6 мкм. После распылительной сушки материал помещают в роликовый печной агрегат в атмосфере азота и проводят двухстадийное спекание: предварительное разложение исходных компонентов при 350 °C в течение 4 часов, а затем нагрев до 700–800 °C в течение 9–20 часов для завершения карботермического восстановления. Углеродный источник восстанавливает Fe³⁺ до Fe²⁺ и формирует на поверхности частиц проводящий углеродный покров. После спекания материал подвергают воздушно-струйному измельчению, классификационному просеиванию и удалению ферромагнитных примесей сильным магнитом, в результате чего получают чёрный композитный катодный материал с оливиновой кристаллической структурой и удельной ёмкостью 155–165 мА·ч/г.
Метод жидкой фазы служит вспомогательным процессом, примером которого является метод самоиспарения с подогревом компании Defang Nano. Данный процесс проще: после смешивания и растворения исходных материалов в суспензию смесь предварительно нагревают и подвергают самоиспарению в реакционном резервуаре для получения гелеобразного прекурсора с ячеистой структурой, напоминающей соты. После первичного дробления и сушки в псевдоожиженном слое материал подвергают спеканию. Этот метод исключает необходимость отдельного получения прекурсора фосфата железа, обеспечивая более однородное перемешивание компонентов, однако требует повышенной точности контроля температуры. В настоящее время он применяется преимущественно при производстве высококачественных аккумуляторов для систем накопления энергии.
II. Сборка элементов и последующая обработка: после получения положительного электродного материала его наносят на подложку, прокатывают и разрезают на полосы, формируя положительный электродный лист. Затем его укладывают или наматывают вместе с отрицательным электродным листом из графита и сепаратором в структуре «положительный электрод — сепаратор — отрицательный электрод» и помещают в алюминиевый корпус (для призматических элементов) или стальной корпус (для цилиндрических элементов), образуя элемент. После заливки карбонатного смешанного электролита элемент подвергают формированию для его активации. Для формирования пассивирующей SEI-плёнки на поверхности электродов применяют зарядку при постоянном токе и постоянном напряжении. В заключение проводят выдержку (старение), тестирование ёмкости и сортировку, чтобы исключить изделия с некондиционными значениями ёмкости и внутреннего сопротивления, обеспечивая однородность характеристик элементов.
