Kľúčové vlastnosti: Batérie zlúčeniny litia a železa fosfátu (LiFePO₄, LFP), ktoré používajú litium-železo-fosfát ako aktívny materiál kladnej elektródy, grafit ako zápornej elektródy a zmiešaný karbonátový roztok ako elektrolyt, sú v súčasnosti hlavným typom batérií v oblastiach pohonnej energie a energetického ukladania. Ich základné výhody spočívajú v bezpečnosti, dlhej životnosti, environmentálnej šetriacosti a cenovej výhodnosti. Ich napäťová úroveň je stabilná na 3,2 V, chemické reakcie počas nabíjania a vybíjania sú mierne a vykazujú mimoriadne vysokú tepelnú stabilitu. Dokážu úspešne absolvovať prísne bezpečnostné testy, ako sú prebitie ihlou, stlačenie a skladovanie za vysokých teplôt, čím spĺňajú požiadavky normy GB 38031-2020. Po termickom rozbehnutí neexistuje riziko vzniku požiaru ani výbuchu počas 5 minút, čo predstavuje výraznú bezpečnostnú výhodu oproti batériám s trojzložkovým katódovým materiálom.
Životnosť v cykloch je kľúčovou konkurenčnou výhodou. Podľa národného štandardu GB/T 36276, pri ktorom sa za referenčný parameter pre degradáciu kapacity považuje 80 % pôžičky, dosahujú bežné produkty 3000–4000 cyklov pri hĺbke vybíjania (DOD) 80 %, zatiaľ čo vysokokvalitné produkty môžu v laboratórnych testoch prekročiť 6000 cyklov. V praxi sa v domácich scenároch energetického úložiska používa rozsah nabíjania a vybíjania SOC od 20 % do 80 %, pričom ročná degradácia činí len 2,5 %, čo zabezpečuje životnosť 12–15 rokov; v režime mierneho nabíjania a vybíjania s hĺbkou 50 % sa počet cyklov môže predĺžiť až na 8000, čo ideálne vyhovuje požiadavkám na vysokofrekvenčné cyklenie v fotovoltických systémoch energetického úložiska.
Neustále technologické pokroky riešia nedostatky výkonu. Výrobky štvrtej generácie s vysokou napäťovou hustotou dosiahli veľkosériovú výrobu, pričom energetická hustota jednej bunky je 190 Wh/kg a systémová energetická hustota presahuje 205 Wh/kg, čo sa blíži úrovni trojzložkových batérií. Súčasne sa prostredníctvom optimalizácie s novými elektrolytmi a technológiami tepelného riadenia zníženie dojazdu v nízkoteplotných prostrediach –30 °C obmedzuje na menej ako 20 % a technológia ultra-rýchleho nabíjania 4C umožňuje dosiahnuť nabitie na 80 % za 15 minút, čím sa vyriešia tradičné problémové oblasti týkajúce sa výkonu pri nízkych teplotách a rýchleho nabíjania.
Výhody z hľadiska životného prostredia a nákladov sú výrazné. Neobsahujú vzácne ťažké kovy, ako je kobalt a nikl, vyhovujú environmentálnym predpisom RoHS a REACH, majú nízke emisie oxidu uhličitého počas celého životného cyklu a po odstavení sa dajú bezpečne demontovať a recyklovať v súlade so štandardom GB/T 34015-2017. Vzhľadom na ľahko dostupné suroviny sú náklady o 15–20 % nižšie v porovnaní s trojzložkovými litiovými batériami. Okrem toho systém riadenia batérie (BMS) podporuje trojstupňové varovanie pred poruchou a odpoveď vypínača v milisekundovom režime, čím spĺňa požiadavky na redundanciu pri návrhu veľkých elektrární na ukladanie energie.
Typické aplikácie: Vďaka svojim výkonnostným charakteristikám pokrýva široké spektrum rôznych aplikačných scénárov. V sektore vozidiel s novými zdrojmi energie podporujú produkty, ako je napríklad článok Blade Battery od spoločnosti BYD, stabilný prevádzkový chod vozidiel po dobu až 600 000 kilometrov; v oblasti ukladania energie dominuje v projektoch ukladania energie z fotovoltických a veterných elektrární a v projektoch vyrovnávania špičkového zaťaženia siete a je tiež vhodný pre domáce systémy ukladania energie; v komerčných scenároch ho využívajú ako základný zdroj energie elektrické autobusy, nízkorýchlostné elektrické vozidlá a základné stanice pre telekomunikácie – teda zariadenia s vysokými požiadavkami na bezpečnosť a dlhú životnosť. Celosvetová veľkosť trhu sa udržiava na ročnom zloženom rastovom tempe vyššom než 20 % a do roku 2028 sa predpokladá, že prekročí 150 miliárd juanov.
Hlavný priemyselný postup prípravy katódového materiálu: Katódový materiál je kľúčovou zložkou určujúcou výkon batérie a jeho príprava pozostáva z dvoch základných krokov: prípravy predlátky a syntézy. Karbotermická redukcia v pevnej fáze je hlavným priemyselným postupom.
Prvý krok zahŕňa prípravu predlátky fosfátu železnatého. Ako zdroj železa sa používa síran železnatý heptahydrát a ako zdroj fosforu technická fosforečná kyselina; Fe²⁺ sa oxiduje na Fe³⁺ pomocou peroxidu vodíka. Na úpravu pH na hodnotu 1,5–2,5 sa používa roztok amoniaku, čím dochádza k vysrážaniu fosfátu železnatého. Po filtračnom oddelení na doskovom filtri a následnom opláchnutí čistou vodou na odstránenie nečistôt sa materiál rýchlo suší a kalcinuje pri teplote 500–600 °C, čím sa získa predlátka fosfátu železnatého dihydrátu pre batérie s pomerom železo ku fosforu približne 0,97:1.
Druhým krokom je syntéza fosfátu litia železnatého. Bezvodý fosfát železnatý, uhličitan litný (v stechiometrickom pomere 105 %) a uhlíkový zdroj vo forme glukózy sa zmiešajú v príslušnom pomere. Zmes sa mletím za mokra prevedie na jemnú suspenziu s D50 0,2–0,6 μm. Po sprejovom sušení sa materiál za ochrany dusíkom posúva do valcového peci, kde sa používa dvojstupňový spiekaný proces: predbežný rozklad východiskových látok pri teplote 350 °C po dobu 4 hodín, nasledovaný zahriatím na teplotu 700–800 °C po dobu 9–20 hodín, aby sa dokončila karbotermická redukcia. Uhlíkový zdroj redukuje Fe³⁺ na Fe²⁺ a vytvára vodivú uhlíkovú povlakovú vrstvu na povrchu častíc. Po spiekaní sa materiál podrobí mletiu vzduchovým prúdom, triedeniu a sieťovaniu, ako aj odstráneniu železných nečistôt silným magnetom, čím sa nakoniec získa čierna kompozitná katódová hmota s olivínovou kryštálovou štruktúrou a špecifickou kapacitou 155–165 mAh/g.
Metóda v kvapalnej fáze slúži ako doplnkový proces, čo ilustruje napríklad metóda samozahrievanej odparovacej techniky spoločnosti Defang Nano. Tento proces je jednoduchší: po zmiešaní a rozpustení východiskových materiálov do suspenzie sa zmes predhreje a samovoľne odparí v reakčnej nádobe, čím vznikne želatinový predchodca s medovým štruktúrovaným tvarom. Po počiatočnom drvení a sušení v fluidizovanej vrstve sa materiál kalínuje. Táto metóda eliminuje potrebu samostatnej prípravy predchodcu fosfátu železnatého, čo vedie k rovnomernejšiemu zmiešaniu materiálov, avšak vyžaduje vyššiu presnosť pri regulácii teploty. V súčasnosti sa používa najmä pri výrobe vysokokvalitných batérií na ukladanie energie.
II. Zostavovanie článkov a následné spracovanie: Po príprave kladnej elektrodovej hmoty sa táto podrobí naneseniu povlaku, valcovaniu a reznému deleniu, čím vznikne kladná elektrodová fólia. Tá sa potom prekladá alebo navíja spolu s grafitovou zápornou elektrodovou fóliou a separátorom v štruktúre „kladná–separátor–záporná“ a umiestni sa do hliníkovej obalu (pre hranaté batérie) alebo oceľovej obalu (pre valcové batérie), čím vznikne článok. Po vstreknutí zmiešaného karbonátového elektrolytu sa článok podrobí formovaciemu procesu, ktorý ho aktivuje. Na vytvorenie pasivačnej vrstvy SEI na povrchu elektrod sa používa nabíjanie konštantným prúdom a konštantným napätím. Nakoniec sa vykoná starnutie, testovanie kapacity a triedenie, aby sa eliminovali výrobky s nezhodnou kapacitou a vnútorným odporom a zabezpečila sa konzistentnosť článkov.
