O que é uma bateria LiFePO4?
2025-02-08
A bateria Lifepo4 é uma bateria de íons de lítio que utiliza fosfato de ferro de lítio (LiFePO4) como material do eletrodo positivo e carbono como material do eletrodo negativo. A tensão nominal de célula única é 3,2V e a tensão de corte de carga é de 3,6V a 3,65V.
Durante o processo de carga, alguns íons de lítio no fosfato de ferro de lítio escapam, são transferidos para o eletrodo negativo através do eletrólito e se incorporam ao material de carbono do eletrodo negativo; ao mesmo tempo, os elétrons são liberados do eletrodo positivo e chegam ao eletrodo negativo através do circuito externo para manter o equilíbrio da reação química. Durante o processo de descarga, os íons de lítio escapam do eletrodo negativo e chegam ao eletrodo positivo através do eletrólito. Ao mesmo tempo, o eletrodo negativo libera elétrons e chega ao eletrodo positivo através do circuito externo para fornecer energia ao mundo exterior.
As baterias Lifepo4 têm as vantagens de alta tensão de operação, alta densidade de energia, longa vida útil de ciclo, bom desempenho de segurança, baixa taxa de autodescarga e nenhum efeito de memória.
Características Estruturais das Baterias de Fosfato de Ferro de Lítio (LiFePO4)
O lado esquerdo da bateria Lifepo4 é o eletrodo positivo feito de material LiFePO4 com estrutura de olivina, que está conectado ao eletrodo positivo da bateria por uma folha de alumínio. O lado direito é o eletrodo negativo da bateria composto por carbono (grafite), que está conectado ao eletrodo negativo da bateria por uma folha de cobre. No meio, há um diafragma de polímero, que separa o eletrodo positivo do eletrodo negativo. Íons de lítio podem passar pelo diafragma, mas os elétrons não. A bateria é preenchida com eletrólito e selada por uma cápsula metálica.
Princípio de Carga e Descarga da Bateria Lifepo4
A reação de carga e descarga da bateria Lifepo4 ocorre entre LiFePO4 e FePO4. Durante o processo de carga, LiFePO4 gradualmente se separa de íons de lítio para formar FePO4, e durante o processo de descarga, os íons de lítio se incorporam ao FePO4 para formar LiFePO4.
Quando a bateria é carregada, os íons de lítio migram dos cristais de fosfato de ferro de lítio para a superfície do cristal, entram no eletrólito sob a ação da força do campo elétrico, depois passam pelo diafragma, migram para a superfície do cristal de grafite através do eletrólito e se incorporam à rede cristalina do grafite.
Ao mesmo tempo, os elétrons fluem para o coletor de folha de alumínio do eletrodo positivo através do condutor e fluem para o coletor de folha de cobre do eletrodo negativo da bateria através das abas, do pilar positivo da bateria, do circuito externo, do pilar negativo, da aba negativa e então fluem para o eletrodo negativo de grafite através do condutor, de modo a equilibrar a carga do eletrodo negativo. Depois que os íons de lítio são desintercalados do fosfato de ferro de lítio, o fosfato de ferro de lítio se converte em fosfato de ferro.
Quando a bateria é descarregada, os íons de lítio são desintercalados dos cristais de grafite, entram no eletrólito, passam pelo diafragma, migram para a superfície dos cristais de fosfato de ferro de lítio através do eletrólito e, em seguida, se re-incorporam à rede do fosfato de ferro de lítio.
Ao mesmo tempo, os elétrons fluem através do condutor até o coletor de folha de cobre no eletrodo negativo, passam pelas abas, pelo pilar negativo da bateria, pelo circuito externo, pelo pilar positivo, pela aba positiva até o coletor de folha de alumínio no eletrodo positivo da bateria, e então, através do condutor, até o eletrodo positivo de fosfato de ferro de lítio, equilibrando assim a carga do eletrodo positivo. Após os íons de lítio se incorporarem aos cristais de fosfato de ferro, o fosfato de ferro é convertido em fosfato de ferro de lítio.
Características das Baterias de Fosfato de Ferro de Lítio
Alta Densidade de Energia
Segundo relatórios, a densidade de energia do monômero da bateria Lifepo4 com casca de alumínio quadrada produzido em 2018 foi de cerca de 160Wh/kg. Em 2019, alguns fabricantes de baterias excelentes provavelmente conseguiram alcançar um nível de 175-180Wh/kg. Alguns fabricantes poderosos que utilizam a tecnologia de laminação e maior capacidade conseguem alcançar 185Wh/kg.
Bom Desempenho de Segurança
O desempenho eletroquímico do material do eletrodo positivo da bateria Lifepo4 é relativamente estável, o que determina que ela tenha uma plataforma estável de carga e descarga. Portanto, a estrutura da bateria não mudará durante o processo de carga e descarga e não ocorrerá queima ou explosão. Mesmo sob condições especiais como curto-circuito, sobrecarga, compressão e perfuração, ela continua sendo muito segura.
Longa Vida Útil de Ciclo
A vida útil de ciclo 1C da bateria Lifepo4 geralmente chega a 2.000 vezes, ou até mais de 3.500 vezes, enquanto o mercado de armazenamento de energia exige mais de 4.000-5.000 vezes, garantindo uma vida útil de 8 a 10 anos, o que é superior à vida útil de ciclo de mais de 1.000 vezes das baterias de lítio ternárias, e a vida útil de ciclo das baterias de chumbo-ácido de longa duração é de cerca de 300 vezes.
Aplicação Industrial das Baterias de Fosfato de Ferro de Lítio
Aplicação na Indústria de Veículos de Nova Energia
De acordo com o relatório do Instituto Global de Pesquisa em Veículos de Nova Energia, até 2020, a produção e vendas acumuladas de veículos de nova energia atingirão 10 milhões. As baterias Lifepo4 são amplamente utilizadas em carros de passageiros, ônibus, veículos logísticos, veículos elétricos de baixa velocidade, etc., devido às suas vantagens, como boa segurança e baixo custo.
Embora, no campo atual de veículos de passageiros de nova energia, afetado pela política nacional de subsídios para veículos de nova energia, as baterias ternárias ocupem uma posição dominante devido à vantagem de densidade de energia, as baterias Lifepo4 ainda têm vantagens insubstituíveis nos campos de ônibus, veículos logísticos, etc.
A proporção de baterias Lifepo4 no campo dos veículos elétricos está aumentando gradualmente.
Especialistas acreditam que o uso de baterias Lifepo4 no mercado de veículos elétricos de alcance estendido pode não apenas melhorar a segurança dos veículos, mas também apoiar a comercialização dos veículos elétricos de alcance estendido, eliminando a ansiedade dos veículos puramente elétricos em termos de quilometragem, segurança, preço, carregamento e problemas subsequentes com as baterias.
Durante o período de 2007 a 2013, muitas montadoras lançaram projetos para veículos elétricos de alcance estendido.
Aplicação no fornecimento de energia de partida
Além das características das baterias de lítio para potência, as baterias Lifepo4 de partida também possuem capacidades de alta potência instantânea. As baterias de lítio para potência com energia inferior a um quilowatt-hora são usadas para substituir as tradicionais baterias de chumbo-ácido, e os motores BSG são usados para substituir os motores de partida e geradores tradicionais. Elas não só possuem a função de início e parada em marcha lenta, mas também têm funções de desligamento do motor em marcha lenta, recuperação de energia durante a frenagem, assistência à aceleração e cruzeiro elétrico.
Aplicação no mercado de armazenamento de energia
As baterias Lifepo4 possuem uma série de vantagens exclusivas, como alta tensão de operação, alta densidade de energia, longa vida útil de ciclo, baixa taxa de autodescarga, nenhum efeito de memória e proteção ambiental verde. Elas também suportam expansão contínua e são adequadas para armazenamento de energia em grande escala.
Elas têm boas perspectivas de aplicação nas áreas de conexão segura à rede de estações de energia renovável, regulação de pico da rede, estações de energia distribuída, fontes de alimentação UPS e sistemas de fornecimento de energia de emergência.
De acordo com o último relatório de armazenamento de energia recentemente lançado pela organização de pesquisa de mercado internacional GTM Research, a aplicação de projetos de armazenamento de energia no lado da rede tem levado a um aumento contínuo no uso de baterias de fosfato de ferro de lítio.
Com a ascensão do mercado de armazenamento de energia, nos últimos anos, algumas empresas de baterias de potência começaram a implementar negócios de armazenamento de energia para abrir novos mercados de aplicação para as baterias de fosfato de ferro de lítio.
Por um lado, devido à sua ultra-longa vida útil, segurança no uso, grande capacidade e proteção ambiental verde, o fosfato de ferro de lítio pode ser transferido para o campo de armazenamento de energia, o que estenderá a cadeia de valor e promoverá o estabelecimento de um novo modelo de negócios.
Por outro lado, os sistemas de armazenamento de energia que suportam as baterias Lifepo4 tornaram-se a escolha principal no mercado. De acordo com relatórios, as baterias Lifepo4 foram testadas para ônibus elétricos, caminhões elétricos, regulação de frequência no lado do usuário e da rede.
1. A geração de energia eólica, fotovoltaica e de outras fontes renováveis pode ser conectada com segurança à rede.
A aleatoriedade inerente, as características intermitentes e voláteis da geração de energia eólica determinam que seu desenvolvimento em larga escala terá inevitavelmente um impacto significativo na operação segura do sistema de energia.
Com o rápido desenvolvimento da indústria de energia eólica, especialmente o fato de que a maioria dos parques eólicos no meu país são "desenvolvimento centralizado em grande escala e transmissão a longa distância", a geração de energia conectada à rede dos grandes parques eólicos representa desafios severos para a operação e controle das grandes redes de energia.
A geração de energia fotovoltaica é afetada pela temperatura ambiente, intensidade solar e condições meteorológicas, e apresenta flutuações aleatórias.
A geração de energia fotovoltaica apresenta uma tendência de desenvolvimento de "desenvolvimento descentralizado, acesso local de baixa tensão" e "desenvolvimento em grande escala, acesso de média e alta tensão", o que coloca maiores exigências na regulação de pico da rede e na operação segura do sistema de energia.
Portanto, os produtos de armazenamento de energia de grande capacidade se tornaram um fator chave na resolução da contradição entre a rede elétrica e a geração de energia renovável.
O sistema de armazenamento de energia de baterias Lifepo4 possui características de conversão rápida de condições de operação, modo de operação flexível, alta eficiência, segurança e proteção ambiental, forte escalabilidade, entre outros. Ele foi aplicado no projeto nacional de demonstração de armazenamento e transmissão de energia eólica e solar, o que melhorará efetivamente a eficiência dos equipamentos, resolverá problemas locais de controle de tensão, melhorará a confiabilidade da geração de energia renovável e a qualidade da energia elétrica, tornando a energia renovável uma fonte contínua e estável de energia.
Com a contínua expansão de capacidade e escala e o contínuo amadurecimento da tecnologia de integração, o custo dos sistemas de armazenamento de energia será ainda mais reduzido. Após testes de segurança e confiabilidade a longo prazo, espera-se que os sistemas de armazenamento de energia de baterias Lifepo4 sejam amplamente utilizados na conexão segura à rede de geração de energia renovável, como geração de energia eólica e fotovoltaica, e na melhoria da qualidade da energia elétrica.
2. Regulação de carga de pico da rede.
O principal meio de regulação de carga de pico da rede sempre foram as estações de armazenamento por bombeamento. Como as estações de armazenamento por bombeamento exigem a construção de dois reservatórios, superior e inferior, elas são fortemente restritas por condições geográficas e não são fáceis de construir em áreas planas. Elas também ocupam uma grande área e têm custos elevados de manutenção. O uso de sistemas de armazenamento de energia de baterias Lifepo4 para substituir as estações de armazenamento por bombeamento pode lidar com as cargas de pico da rede. Eles não são restritos por condições geográficas, têm seleção de local livre, baixo investimento, pequena área de terreno e baixos custos de manutenção. Eles desempenharão um papel importante no processo de regulação de carga de pico da rede.
3. Estações de energia distribuída.
Devido aos defeitos das próprias grandes redes elétricas, é difícil garantir a qualidade, eficiência, segurança e confiabilidade do fornecimento de energia. Para unidades e empresas importantes, frequentemente são necessários dois ou até múltiplos fornecimentos de energia como backup e proteção. Os sistemas de armazenamento de energia de baterias Lifepo4 podem reduzir ou evitar quedas de energia causadas por falhas na rede elétrica e vários eventos inesperados, desempenhando um papel importante em garantir o fornecimento seguro e confiável de energia para hospitais, bancos, centros de comando e controle, centros de processamento de dados, indústria de materiais químicos e indústria de manufatura de precisão.
4. Fonte de alimentação UPS
O desenvolvimento econômico contínuo e rápido levou à descentralização da demanda de usuários por fontes de alimentação UPS, o que gerou uma demanda contínua por fontes de alimentação UPS em mais indústrias e empresas.
Comparadas às baterias de chumbo-ácido, as baterias Lifepo4 têm as vantagens de longa vida útil de ciclo, segurança e estabilidade, proteção ambiental verde e baixa taxa de autodescarga. Com a contínua maturação da tecnologia integrada e a contínua redução dos custos, as baterias Lifepo4 serão amplamente utilizadas em baterias para fontes de alimentação UPS.
Aplicações em outros campos
As baterias Lifepo4 também são amplamente utilizadas no campo militar devido à sua boa vida útil de ciclo, segurança, desempenho em baixa temperatura e outras vantagens. Em 10 de outubro de 2018, uma empresa de baterias em Shandong fez uma forte aparição na primeira Exposição de Conquistas de Inovação em Ciência e Tecnologia de Integração Militar-Civil de Qingdao, exibindo produtos militares, incluindo baterias militares de ultra-baixa temperatura de -45℃.
Sistema de armazenamento de energia de baterias Lifepo4
As baterias Lifepo4 têm uma série de vantagens exclusivas, como alta voltagem de operação, alta densidade de energia, longa vida útil de ciclo e proteção ambiental verde. Elas também suportam expansão contínua. Após a formação de um sistema de armazenamento de energia, elas podem armazenar energia elétrica em grande escala. O sistema de armazenamento de energia de baterias Lifepo4 é composto por um pacote de baterias Lifepo4, um sistema de gerenciamento de baterias (BMS), um dispositivo de comutação (retificador, inversor), um sistema de monitoramento central, um transformador, etc.
Durante a fase de carregamento, o fornecimento de energia intermitente ou a rede elétrica carrega o sistema de armazenamento de energia. A energia AC é retificada em energia DC após passar pelo retificador para carregar o módulo de bateria de armazenamento de energia e armazenar energia; durante a fase de descarga, o sistema de armazenamento de energia descarrega para a rede elétrica ou carga, e a energia DC do módulo de bateria de armazenamento de energia é invertida em energia AC através do inversor. A saída do inversor é controlada pelo sistema de monitoramento central para fornecer uma saída de energia estável para a rede elétrica ou carga.
If you need any assistance with the "Lifepo4 Battery Management System (BMS)" article, feel free to ask!
Para mais informações sobre inversores, consulte “Sistema de conversão de energia”.
Para mais informações sobre o sistema de gerenciamento de baterias LiFePO4, consulte o "sistema de gerenciamento de energia".
Utilização em cascata de baterias de fosfato de ferro-lítio
De maneira geral, as baterias de fosfato de ferro-lítio (LiFePO4) retiradas de veículos elétricos ainda têm cerca de 80% de sua capacidade restante, e há ainda 20% da capacidade distante do limite inferior de 60% de capacidade totalmente descartada. Elas podem ser usadas em locais com menores exigências de energia do que os automóveis, como veículos elétricos de baixa velocidade, estações base de comunicação, etc., para alcançar a utilização em cascata de baterias usadas.
As baterias de LiFePO4 retiradas de automóveis ainda têm um alto valor de utilização. O processo de utilização em cascata das baterias de potência segue o seguinte caminho: as empresas recicladoras retiram as baterias usadas - desmontagem - teste e classificação - classificação por capacidade - reorganização do módulo da bateria. No nível de preparação da bateria, a densidade de energia residual das baterias de LiFePO4 usadas pode alcançar 60~90Wh/kg, e a vida útil da reciclagem pode atingir de 400 a 1000 ciclos. Com o aprimoramento do nível de preparação da bateria, a vida útil da reciclagem pode ser ainda mais melhorada. Comparado com as baterias de chumbo-ácido, com uma energia de 45Wh/kg e uma vida útil de cerca de 500 ciclos, as baterias usadas de LiFePO4 ainda apresentam vantagens de desempenho. Além disso, o custo das baterias usadas de LiFePO4 é relativamente baixo, apenas de 4000 a 10000 yuans/t, o que as torna muito econômicas.
Características da reciclagem de baterias de fosfato de ferro-lítio
Crescimento rápido e grande quantidade de sucata
Desde o desenvolvimento da indústria de veículos elétricos, a China tem sido o maior mercado consumidor mundial de fosfato de ferro-lítio. Em particular, houve um crescimento de quase 200% de 2012 a 2013. Em 2013, as vendas de fosfato de ferro-lítio na China foram de cerca de 5797 toneladas, representando mais de 50% das vendas globais.
Em 2014, 75% dos materiais catódicos de fosfato de ferro-lítio foram vendidos para a China. A vida teórica das baterias de LiFePO4 é de 7 a 8 anos (calculada como 7 anos). Estima-se que, até 2021, cerca de 9400 toneladas de fosfato de ferro-lítio serão descartadas. Se essa enorme quantidade de resíduos não for tratada, causará não apenas poluição ambiental, mas também desperdício de energia e perdas econômicas.
Danos significativos
O LiPF6, carbonatos orgânicos, cobre e outras substâncias químicas contidas nas baterias de LiFePO4 estão na lista de resíduos perigosos nacionais. O LiPF6 é altamente corrosivo e se decompõe facilmente ao entrar em contato com a água, produzindo HF; os solventes orgânicos e seus produtos de decomposição e hidrólise podem causar poluição grave na atmosfera, água e solo, prejudicando o ecossistema; metais pesados, como o cobre, se acumulam no ambiente e, eventualmente, prejudicam os seres humanos por meio da cadeia biológica; uma vez que o fósforo entra em corpos d'água, como lagos, pode causar facilmente a eutrofização dos corpos d'água. Pode-se ver que, se as baterias de LiFePO4 descartadas não forem recicladas, elas serão extremamente prejudiciais ao meio ambiente e à saúde humana.
Tecnologia de reciclagem imatura
As informações existentes mostram que existem dois tipos de processos de reciclagem para baterias usadas de fosfato de ferro-lítio: um é a reciclagem de metais e o outro é a regeneração de materiais catódicos de fosfato de ferro-lítio.
Desmontagem e reciclagem de baterias de fosfato de ferro-lítio
As baterias de LiFePO4 retiradas que não têm valor de utilização em cascata e as baterias após a utilização em cascata eventualmente entram na fase de desmontagem e reciclagem. Diferentemente das baterias de materiais ternários, as baterias de LiFePO4 não contêm metais pesados. A reciclagem é composta principalmente por Li, P e Fe. O valor agregado dos produtos reciclados é baixo, e é necessário desenvolver rotas de reciclagem de baixo custo. Existem dois métodos principais de reciclagem: piro-metalurgia e hidrometalurgia.
Processo de reciclagem piro-metalúrgica
A reciclagem piro-metalúrgica tradicional envolve geralmente a incineração de alta temperatura das folhas de eletrodo para queimar o carbono e a matéria orgânica nos fragmentos do eletrodo. A cinza restante que não pode ser queimada é finalmente peneirada para obter um material em pó fino contendo metais e óxidos metálicos.
Este método é simples, mas o fluxo de processamento é longo e a taxa de recuperação abrangente dos metais valiosos é baixa. A tecnologia melhorada de reciclagem piro-metalúrgica remove aglutinantes orgânicos por calcinação, separa o pó de fosfato de ferro-lítio da folha de alumínio, obtém material de fosfato de ferro-lítio e, em seguida, adiciona quantidades apropriadas de matérias-primas para obter a razão molar necessária de lítio, ferro e fósforo, sintetizando novo fosfato de ferro-lítio pelo método de fase sólida de alta temperatura. De acordo com cálculos de custo, a reciclagem seca piro-metalúrgica de baterias usadas de LiFePO4 pode atingir rentabilidade, mas o fosfato de ferro-lítio recém-preparado de acordo com esse processo de reciclagem tem muitas impurezas e desempenho instável.
Processo de reciclagem úmida
A reciclagem úmida usa principalmente soluções ácidas e básicas para dissolver íons metálicos nas baterias de fosfato de ferro-lítio, e depois usa métodos de precipitação, adsorção e outros para extrair os íons metálicos dissolvidos na forma de óxidos, sais, etc. Durante o processo de reação, a maioria dos reagentes, como H2SO4, NaOH e H2O2, são utilizados. O processo de reciclagem úmida é simples, os requisitos de equipamento não são altos e é adequado para produção em escala industrial. É a rota de tratamento mais estudada e dominante para baterias de lítio usadas.
A reciclagem úmida das baterias de LiFePO4 é principalmente baseada na recuperação dos cátodos. Ao usar o processo úmido para reciclar os cátodos de fosfato de ferro-lítio, o coletor de corrente de alumínio deve ser separado primeiro do material ativo do cátodo.
Um método é usar solução alcalina para dissolver o coletor de corrente, enquanto o material ativo não reage com a solução alcalina, e o material ativo pode ser obtido por filtração.
O segundo método é usar um solvente orgânico para dissolver o aglutinante PVDF, de forma que o material de cátodo de fosfato de ferro-lítio seja separado da folha de alumínio, e a folha de alumínio seja reutilizada. O material ativo pode ser posteriormente processado, e o solvente orgânico pode ser destilado para alcançar sua reciclagem.
Comparado com os dois métodos, o segundo método é mais ambientalmente amigável e seguro. Uma maneira de reciclar o fosfato de ferro-lítio no cátodo é gerar carbonato de lítio. Este método de reciclagem tem baixo custo e é adotado pela maioria das empresas de reciclagem de fosfato de ferro-lítio, mas o principal componente do fosfato de ferro-lítio, o fosfato de ferro (95% de conteúdo), não é reciclado, resultando em desperdício de recursos.
O método ideal de reciclagem úmida é converter o material catódico de fosfato de ferro-lítio usado em sal de lítio e fosfato de ferro para alcançar a recuperação total dos elementos Li, Fe e P.
Para converter o fosfato de ferro-lítio em sal de lítio e fosfato de ferro, o ferro ferroso precisa ser oxidado para ferro trivalente, e o lítio precisa ser extraído por lixiviação ácida ou alcalina. Alguns pesquisadores usam calcinação de oxidação para separar flocos de alumínio e fosfato de ferro-lítio, e depois extrair e separá-los por ácido sulfúrico para obter fosfato de ferro bruto. A solução é purificada e precipitada em carbonato de lítio com carbonato de sódio; o filtrado é evaporado e cristalizado para obter um produto de sulfato de sódio anidro, que é vendido como subproduto; o fosfato de ferro bruto é refinado ainda mais para obter fosfato de ferro de qualidade para baterias, que pode ser usado na preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio. Após anos de pesquisa, esse processo se tornou relativamente maduro.
Resultados da aplicação
Na primeira metade de 2022, a capacidade instalada de baterias de potência foi de 220,1 GWh, um aumento de 109,8% em relação ao ano anterior. Dentre elas, a capacidade instalada de baterias de lítio ternárias representou 41,4%, um aumento de 51,2% em relação ao ano anterior; a capacidade instalada de baterias Lifepo4 representou 58,5%, um aumento de 189,7% em relação ao ano anterior.
Em junho de 2024, a Geely Automobile lançará sua nova geração de baterias de fosfato de ferro e lítio do tipo "lâmina" – a Aegis Short Blade Battery, que será instalada no novo modelo de SUV totalmente elétrico "Galaxy E5". Esta bateria da nova geração alcançou avanços tecnológicos em segurança, vida útil de ciclos, capacidade de carregamento rápido e desempenho de descarga em baixa temperatura.
A nova geração de baterias Aegis Short Blade alcança maior segurança por meio de um design mais curto e compacto, aumentando ainda mais a flexibilidade do layout do pacote, enquanto aumenta a densidade energética da bateria Lifepo4 tipo "lâmina" para quase 200Wh/kg.
Como verificar uma bateria de lítio?
O que é um transformador elevador?
