Литий-железофосфат (ЛФФ) имеет химическую формулу LiFePO₄. Его ген безопасности кроется в уникальной «оливиновой структуре» — подобной прочной броне для ионов лития.
Структура определяет судьбу
1. Кристаллическая структура: «безопасный путь» для ионов лития
Под микроскопом кристаллы LFP имеют форму оливина (гексагональную структуру). Внутри этой структуры:
Тетраэдры PO₄³⁻ создают прочный каркас, подобный стальным прутьям в зданиях. Эта структура хорошо выдерживает даже высокие температуры.
Ионы Fe²⁺ располагаются в промежутках скелета, стабилизируя структуру;
Ионы Li⁺ движутся по этим путям, входя и выходя из них во время заряда и разряда. Это обеспечивает свободный путь и предотвращает любые отклонения.
Такая структура гораздо прочнее, чем у тройных материалов. При ударах или высоких температурах каркас PO₄³⁻ сохраняет прочность. Это предотвращает утечку кислорода, которая может привести к возгоранию тройных материалов. Эксперименты показывают, что LFP разлагается при температуре выше 500 °C. В отличие от этого, тройные материалы, такие как NCM811, начинают разлагаться при 200 °C.
2. Принцип зарядки и разрядки: плавное «движение ионов»
Зарядка и разрядка LFP подобна плавному «движению ионов». Он отличается от интенсивных реакций, наблюдаемых в тройных материалах.
Во время зарядки Li⁺ покидает положительный электрод (LiFePO₄), перемещаясь через электролит к отрицательному электроду (графиту) и образуя LiC₆.
Во время разряда Li⁺ перемещается от отрицательного электрода к положительному. Одновременно электроны перемещаются по внешней цепи, создавая ток.
Окислительно-восстановительная реакция между Fe²⁺ и Fe³⁺ протекает в мягкой форме. Это отличается от бурных реакций в переходных металлах, таких как никель и кобальт. Эти металлы в тройных материалах выделяют много тепла. У LFP минимальные изменения температуры во время зарядки и разрядки. Обычно они составляют менее 20°C.
Введение в производительность: преимущества и недостатки LFP
Ни один аккумулятор не идеален. Характеристики LFP можно охарактеризовать как «две сильные и две слабые стороны». Понимание этих характеристик крайне важно для понимания сценариев его применения.
1. Два основных преимущества: безопасность и срок службы
Максимальная безопасность:
LFP обладает уникальным преимуществом: он не выделяет кислород. Кроме того, он устойчив к высоким температурам. Тройные материалы выделяют кислород при нагревании, способствуя горению. В отличие от него, LFP распадается на негорючие вещества, такие как Fe₂O₃ и P₂O₅. Это также является ключом к его стойкости к возгоранию при испытаниях на проникновение иглы и сжатие.
Невероятный жизненный цикл:
Структура оливина LFP изменяет объём всего на 3,71 TP3T во время заряда и разряда. В отличие от этого, тройные материалы изменяют объём на 7-10 TP3T. Это обеспечивает очень стабильную структурную стабильность. Обычные LFP-аккумуляторы служат от 3000 до 5000 циклов. Однако LFP-аккумуляторы, предназначенные для хранения энергии, могут выдерживать более 10 000 циклов. При ежедневной зарядке и разрядке это составляет около 27 лет эксплуатации.
2. Два существенных недостатка: плотность энергии и эффективность при низких температурах
Низкая плотность энергии:
Теоретическая плотность энергии LFP составляет 170 мА·ч/г. Однако аккумуляторы массового производства обычно имеют плотность энергии 150–200 Вт·ч/кг. Для сравнения, тройные материалы, такие как NCM811, могут достигать 250–300 Вт·ч/кг. LFP-аккумуляторы имеют меньший запас хода при той же массе. Например, автомобиль с LFP-аккумулятором того же объёма может проехать 500 км, в то время как автомобиль с тройным материалом — 600 км.
Значительная «потеря мощности» при низких температурах:
Ниже 0°C ионная проводимость LFP снижается, что снижает эффективность зарядки и ёмкость. При -20°C сохраняемость ёмкости LFP составляет приблизительно 60%, в то время как у тройных материалов она может достигать 75%. Именно поэтому пользователи на севере Китая предпочитают тройные аккумуляторы.
Технологический прорыв: как заставить LFP «укрепить свои сильные стороны и преодолеть свои слабости»?
1. Модификация материала: ускорение производства LFP
Наноидизация и углеродное покрытие:
Наноразмер частиц LFP (<100 нм) увеличивает их площадь поверхности, что способствует более быстрой миграции литий-ионов. Покрытие поверхности слоем углерода (толщиной 2–5 нм) увеличивает проводимость в 1000 раз. Модифицированный LFP повышает токоотдачу с 1 до 5 С (полная зарядка за 12 минут).
Легирование ионами металлов:
Легирование ионами металлов, таких как Mg²⁺ и Nb³⁺, улучшает кристаллическую структуру. Это также повышает производительность при низких температурах. «Низкотемпературный LFP» CATL сохраняет ёмкость 75% при -20°C, приближаясь к уровню тройных материалов.
2. Структурные инновации: «Космическая магия» Blade Battery от BYD
Традиционные LFP-аккумуляторы используют квадратные модули, что обеспечивает коэффициент использования пространства всего 60%. В аккумуляторе Blade от BYD используются длинные и тонкие элементы длиной 1,5 метра и шириной 10 см. Эти элементы помещаются в аккумуляторный блок подобно «лезвию». Такая конструкция позволяет использовать пространство более чем до 90%.
Такая конструкция позволяет системе LFP достигать плотности энергии более 180 Вт⋅ч/кг. Она также обеспечивает запас хода до 600 км и устойчива к проколам. В 2023 году электромобиль BYD Han EV с аккумуляторами Blade получил оценку «нулевое самовозгорание» по результатам краш-теста C-NCAP.
3. Системная интеграция: «Искусство вычитания» технологии CTP
Технология CTP от CATL позволяет удалить корпус модуля в аккумуляторных блоках. Это позволяет плотно упаковывать LFP-элементы. Температуру поддерживает пластина с водяным охлаждением. Эта конструкция:
Уменьшает вес на 15% и увеличивает плотность энергии на 10%;
Снижает затраты на 10% (исключая затраты на материалы модуля и сборку).
Аккумуляторные батареи LFP с CTP широко распространены в станциях хранения энергии, таких как базовая станция 5G компании Huawei, а также в коммерческих транспортных средствах, таких как электробусы Yutong.
Карта применения: где находится «домашнее поле» LFP?
Благодаря своим преимуществам в области безопасности и стоимости LFP стал необходимостью в следующих сценариях:
1. Транспортные средства на новых источниках энергии: контратака от бюджетного сегмента к высококлассному
**Модели начального уровня:** Wuling Hongguang MINI EV оснащён аккумуляторами LFP. Это снижает стоимость на 15%, снижая цену до 30 000 юаней.
**Модели среднего и высокого класса:** BYD Han EV и Xiaopeng P5 используют версии Blade Battery/LFP. Они обеспечивают запас хода до 600 км. Такая конфигурация обеспечивает баланс между безопасностью и запасом хода.
Коммерческий транспорт: Автобусы и логистические автомобили заряжаются и разряжаются 2–3 раза в день. Длительный срок службы аккумуляторов LFP (10 лет/500 000 км) может снизить общую стоимость жизненного цикла.
2. Электростанции с накоплением энергии: «Абсолютный дом» LFP
70% мировых электростанций хранения энергии используют батареи LFP по трем причинам:
Длительный срок службы (10 000 циклов), не требующий замены в течение 20 лет;
Низкая стоимость (0,5 юаня/Вт·ч), 30% ниже, чем тройные материалы;
Высокий уровень безопасности предотвращает пожары на электростанциях, аккумулирующих энергию. Пожар в Техасе в 2021 году был вызван тройными аккумуляторами.
Китайские проекты накопления энергии с помощью фотоэлектрических систем и низкоэнергетических модулей (LFP), такие как станция мощностью 100 МВт в уезде Хайси, провинция Цинхай, позволили снизить затраты. Теперь цена за киловатт-час составляет всего 0,3 юаня. Это дешевле, чем угольная генерация.
3. Двухколесные транспортные средства и специальные приложения
Электровелосипеды: в моделях Yadea и Aima премиум-класса используются аккумуляторы LFP. Эти аккумуляторы сохраняют 80% своей ёмкости после 500 зарядок. Это означает, что они служат в три раза дольше свинцово-кислотных аккумуляторов.
Корабли и подземное оборудование: В ограниченном пространстве, например, на подводных лодках и в угольных шахтах, невзрывоопасность LFP крайне важна. LFP использовался в качестве аварийного источника питания для китайского глубоководного зонда «Struggler».
Доля рынка LFP увеличилась с менее чем 10% в 2015 году до более чем 50% в 2023 году. Этот рост обусловлен стремлением новой энергетической отрасли найти баланс между безопасностью и стоимостью. Электромобили становятся «предметом первой необходимости», а не просто «инструментом для получения опыта». Системы накопления энергии переходят из категории «дополнительного источника энергии» в категорию «основы электросети». Ключевыми преимуществами LFP являются стабильность и надежность.
В будущем более совершенные твердотельные электролиты и легирование ионами натрия могут повысить плотность энергии и производительность LFP при низких температурах. Независимо от того, как он изменится, его главный принцип — «безопасность» — обеспечит ему успех на конкурентном рынке аккумуляторов.
