Основні функції: Літій-залізо-фосфатні (LiFePO₄, LFP) акумулятори, у яких в якості активного матеріалу позитивного електрода використовується літій-залізо-фосфат, негативного електрода — графіт, а електроліту — суміш карбонатів, зараз є основним типом акумуляторів у сферах електроживлення та накопичення енергії. Їхні ключові переваги — це безпека, тривалий термін служби, екологічність та вигідність у експлуатації. Робоча напруга таких акумуляторів стабільна й становить 3,2 В, хімічні реакції під час заряджання та розряджання протікають пом’якшено, а теплова стійкість є надзвичайно високою. Вони витримують суворі випробування на безпеку, зокрема прокол, стискання та зберігання при високій температурі, відповідаючи вимогам стандарту GB 38031-2020. У разі теплового розбігу відсутній ризик виникнення пожежі чи вибуху протягом 5 хвилин, що свідчить про значну перевагу у порівнянні з тернарними акумуляторами.
Термін служби в циклах є ключовою конкурентною перевагою. Згідно з національним стандартом GB/T 36276, за критерієм деградації ємності до 80 %, типові продукти забезпечують 3000–4000 циклів при глибині розряду (DOD) 80 %, тоді як високопродуктивні продукти в лабораторних умовах можуть перевищувати 6000 циклів. У практичному застосуванні в сценаріях побутового накопичення енергії використовується діапазон заряджання й розряджання від 20 % до 80 % SOC, а щорічна деградація становить лише 2,5 %, що забезпечує термін служби 12–15 років; у режимі м’якого заряджання й розряджання з глибиною 50 % кількість циклів може бути збільшена до 8000, що ідеально відповідає вимогам високочастотного циклювання в системах накопичення енергії на основі фотогальваніки.
Постійні технологічні досягнення долають недоліки у продуктивності. Продукти четвертого покоління з високою щільністю напруги досягли масового виробництва: енергетична щільність на одну комірку становить 190 Вт·год/кг, а системна енергетична щільність перевищує 205 Вт·год/кг, наближаючись до рівня литій-нікель-кобальт-марганцевих (NMC) акумуляторів. У той самий час завдяки оптимізації за допомогою нових електролітів та технологій теплового управління зниження запасу ходу в умовах низької температури (–30 °C) обмежено 20 %, а технологія ультрабистрої зарядки 4C дозволяє зарядити акумулятор до 80 % за 15 хвилин, що вирішує традиційні проблеми — погану роботу при низьких температурах та повільну зарядку.
Екологічні та економічні переваги є вираженими. Вони не містять дефіцитних важких металів, таких як кобальт і нікель, відповідають екологічним нормам RoHS та REACH, мають низькі викиди вуглекислого газу протягом усього життєвого циклу та після виведення з експлуатації можуть бути безпечно демонтовані й перероблені згідно зі стандартом GB/T 34015-2017. Завдяки легко доступним сировинним матеріалам вартість таких акумуляторів на 15–20 % нижча, ніж у литій-нікель-кобальт-марганцевих (NMC) акумуляторів. Крім того, система управління акумуляторами (BMS) забезпечує трирівневе попередження про несправності та реакцію автоматичного вимикача на рівні мілісекунд, що відповідає вимогам до резервування при проектуванні великих електростанцій накопичення енергії.
Типові застосування: Благодаря своїм експлуатаційним характеристикам він охоплює широке коло різноманітних сфер застосування. У секторі транспортних засобів на новій енергії продукти, такі як лезова акумуляторна батарея BYD, забезпечують стабільну роботу транспортного засобу протягом 600 000 кілометрів; у сфері накопичення енергії він домінує в проектах накопичення енергії сонячних та вітрових електростанцій та в проектах регулювання пікового навантаження в електромережах, а також підходить для побутових систем накопичення енергії; у комерційних сценаріях його використовують як основне джерело живлення для електробусів, низькошвидкісних електромобілів та базових станцій зв’язку — обладнання, що має високі вимоги до безпеки й тривалого терміну служби. Світовий розмір ринку зберігає складний щорічний темп зростання понад 20 % і, за прогнозами, перевищить 150 мільярдів юанів до 2028 року.
Основний процес підготовки катодного матеріалу: катодний матеріал є ключовим компонентом, що визначає експлуатаційні характеристики акумулятора, і його отримання включає два основні етапи: підготовку попередника та синтез. Метод твердофазного відновлення карботермічним способом є основним промисловим процесом.
Перший етап передбачає підготовку попередника фосфату заліза. Використовуючи залізний купорос гептагідрат як джерело заліза та промислову ортофосфорну кислоту як джерело фосфору, Fe²⁺ окислюють до Fe³⁺ за допомогою пероксиду водню. Для регулювання рН до 1,5–2,5 використовують аміак водний, щоб випадав у осад фосфат заліза. Після фільтрування на пластинчато-рамних фільтрах та промивання чистою водою для видалення домішок матеріал швидко сушать і кальцінують при температурі 500–600 °C, отримуючи попередник фосфату заліза дигідрат класу «для акумуляторів» із співвідношенням залізо:фосфор приблизно 0,97:1.
Другим етапом є синтез літій-залізо-фосфату. Безводний залізо-фосфат, карбонат літію (у стехіометричному співвідношенні 105 %) та вуглецеве джерело у вигляді глюкози змішують у відповідних пропорціях. Суміш піддають вологому помелу до отримання тонкої суспензії з D50 0,2–0,6 мкм. Після розпилювального сушіння матеріал надсилають у роликову піч у середовищі азоту з використанням двостадійного спікання: попереднього розкладу вихідних компонентів при 350 °C протягом 4 годин, а потім нагрівання до 700–800 °C протягом 9–20 годин для завершення карботермічного відновлення. Вуглецеве джерело відновлює Fe³⁺ до Fe²⁺ та утворює провідний вуглецевий покривний шар на поверхні частинок. Після спікання матеріал піддають аеродинамічному помелу струменем повітря, класифікаційному просіюванню та видаленню залишків заліза за допомогою потужного магнітного сепаратора, щоб отримати кінцевий чорний композитний катодний матеріал з олівіновою кристалічною структурою та питомою ємністю 155–165 мА·год/г.
Рідкофазний метод виступає як додатковий процес, прикладом якого є метод самонагрівальної еволюції компанії Defang Nano. Цей процес є простішим: після змішування та розчинення вихідних матеріалів у суспензію суміш попередньо нагрівають і самостійно випаровують у реакційному резервуарі для отримання гель-прекурсора, що має структуру, подібну до бджолиних стільників. Після первинного подрібнення та сушіння в псевдозрідженому шарі матеріал піддають спіканню. Цей метод усуває необхідність окремої підготовки прекурсора фосфату заліза, що забезпечує більш однорідне змішування матеріалів, але вимагає вищої точності контролю температури. Наразі його застосовують переважно у виробництві високоякісних акумуляторів для систем накопичення енергії.
II. Збірка елементів живлення та подальша обробка: Після підготовки катодного матеріалу його наносять на основу, прокатують та нарізають на смуги, утворюючи катодну стрічку. Потім її укладають у структурі «катод–сепаратор–анод» разом із графітовою анодною стрічкою та сепаратором — шляхом накладання один на одного або намотування. Після цього отриманий елемент поміщають у алюмінієвий корпус (для призматичних акумуляторів) або сталевий корпус (для циліндричних акумуляторів). Після заливки карбонатного сумішного електроліту елемент проходить процес формування (формування), що активує його. Для утворення пасиваційної плівки SEI на поверхні електродів застосовують заряджання постійним струмом і постійною напругою. Наприкінці проводять старіння, випробування ємності та сортування, щоб відсіяти продукти з непридатною ємністю та внутрішнім опором, забезпечуючи таким чином узгодженість параметрів елементів.
