El fosfato de hierro y litio es un material de electrodo para baterías de iones de litio con la fórmula química LiFePO4 (LFP para abreviar). Se utiliza principalmente en varias baterías de iones de litio. Desde que el NTT de Japón reveló por primera vez el material del cátodo de batería de litio con estructura de olivino de AyMPO4 (A es un metal alcalino, M es una combinación de CoFe: LiFeCoPO4) en 1996, en 1997, John. B. Goodenough y otros de la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos, estudiaron el grupo. Posteriormente también informaron sobre la transferencia reversible de litio dentro y fuera de LiFePO4.
Estados Unidos y Japón publicaron coincidentemente la estructura del olivino (LiMPO4), lo que atrajo gran atención a este material y provocó una extensa investigación y un rápido desarrollo. En comparación con los materiales tradicionales del cátodo de batería secundaria de iones de litio, la estructura de espinela LiMn2O4 y la estructura en capas LiCoO2, LiMPO4 tiene fuentes más amplias de materias primas, es más barato y no genera contaminación ambiental.
Características básicas del fosfato de hierro y litio.
El fosfato de hierro y litio es actualmente el material catódico más prometedor en las baterías de iones de litio. Comparado con otros materiales catódicos, tiene las siguientes ventajas:
(1) Bajo costo. En comparación con los materiales de cátodo ternario, el fosfato de hierro y litio es relativamente barato, tiene un proceso de producción relativamente simple y causa poca contaminación ambiental.
(2) El batería Tiene buena seguridad. Los materiales de fosfato de hierro y litio no contienen elementos metálicos pesados que sean perjudiciales para el cuerpo humano. No producirán gases nocivos a altas temperaturas, ni gases venenosos, niebla ácida ni otras sustancias.
(3) Ciclo de vida prolongado. El ciclo de vida del fosfato de hierro y litio suele ser más de 500 veces mayor que el del litio ternario, y su vida útil puede alcanzar más de 10 años.
(4) Excelente rendimiento electroquímico. Los materiales de fosfato de hierro y litio tienen un alto rendimiento de ciclo y velocidad, y pueden mantener un buen rendimiento en condiciones de baja temperatura.
Cuando ocurre un cortocircuito en el material del cátodo de fosfato de hierro y litio, no causará situaciones peligrosas como quemaduras o explosiones, ni producirá gases tóxicos, niebla ácida o gases venenosos u otras sustancias.
Método de preparación de fosfato de hierro y litio.
En la actualidad, los métodos de preparación de materiales de fosfato de hierro y litio incluyen principalmente síntesis en fase sólida a alta temperatura, coprecipitación, sol-gel y métodos hidrotermales.
Método de síntesis en fase sólida a alta temperatura.: El método de síntesis en fase sólida a alta temperatura se refiere a la preparación de materiales de fosfato de hierro y litio con una morfología específica mediante el control de las condiciones de reacción a temperatura ambiente. El principio fundamental de la síntesis en fase sólida a alta temperatura es utilizar el calor liberado cuando se descompone la fuente de carbono para llevar a cabo la reacción a baja temperatura.
Controlando las condiciones de reacción, se puede controlar la morfología, el tamaño de partícula, la cristalinidad y la estructura cristalina del fosfato de litio y hierro, preparando así fosfato de litio y hierro con diferentes morfologías y formas cristalinas.
La ventaja es que el costo de producción es bajo, pero el método de síntesis en fase sólida a alta temperatura tiene muchas desventajas. Por ejemplo, si la temperatura es demasiado alta, los granos del material crecerán, lo que dará como resultado un rendimiento deficiente del material; el precio de las materias primas es alto y el costo de producción es elevado; durante el proceso de preparación es fácil generar residuos como líquidos residuales y residuos de residuos.
Método de precipitación: Mezclar las materias primas uniformemente en una determinada proporción, agregar los aditivos adecuados, reaccionar a una temperatura determinada, filtrar, lavar y secar para obtener productos de fosfato de hierro y litio. El método de coprecipitación tiene un proceso de producción simple y puede controlar la morfología y el tamaño de partícula del producto. Actualmente es el método de preparación más utilizado. El rendimiento de los productos de fosfato de hierro y litio preparados mediante el método de coprecipitación es relativamente estable.
método sol-gel: se refiere a mezclar primero la fuente de carbono y la fuente de aluminio y luego agregarlas al solvente orgánico para agitar y elevar la temperatura hasta que alcance una temperatura predeterminada; luego la solución se filtra y se lava, se seca, se dispersa y se muele a baja temperatura para preparar nanofosfato de hierro. litio. El fosfato de hierro y litio sintetizado mediante este método tiene granos finos, alta cristalinidad y rendimiento estable. Sin embargo, el método sol-gel tiene un coste elevado, un proceso de preparación complicado y graves problemas de aglomeración del producto.
Ventajas y desventajas del uso de materiales de fosfato de hierro y litio para producir baterías eléctricas.
Ventajas de los materiales de fosfato de hierro y litio: los materiales de fosfato de hierro y litio tienen las ventajas de una gran capacidad específica, un ciclo de vida prolongado, una plataforma de bajo voltaje, alta seguridad y una gran adaptabilidad ambiental. Se consideran uno de los materiales catódicos de baterías de iones de litio más prometedores. . Además, también tiene las características de bajo precio y amplia fuente.
Problemas con los materiales de fosfato de hierro y litio: se forman fácilmente cristales de ácido fosfórico durante el proceso de preparación de materiales de fosfato de hierro y litio, lo que reduce su conductividad; la estructura cristalina del fosfato de hierro y litio cambia mucho a altas temperaturas y tiene poca estabilidad; es propenso a cambios de volumen, lo que lleva a una atenuación de la capacidad; y Los ácidos orgánicos generados por reacciones de electrolitos también pueden afectar negativamente el rendimiento de la batería.
Medidas para mejorar el rendimiento de los materiales de fosfato de hierro y litio: mejorar la superficie específica y el tamaño de las partículas de los materiales de fosfato de hierro y litio son medidas importantes para mejorar el rendimiento electroquímico de los materiales de fosfato de hierro y litio. Las investigaciones muestran que a medida que aumentan el tamaño de las partículas y el área de superficie específica, también aumenta el rendimiento electroquímico de los materiales de fosfato de hierro y litio. Además, optimizar el electrolito y el aglutinante también es un medio importante para mejorar el rendimiento de las baterías de fosfato de hierro y litio.
La demanda del mercado de fosfato de hierro y litio está creciendo rápidamente
Los vehículos de nueva energía siguen en auge
La industria mundial de vehículos de nueva energía está entrando en una nueva etapa de desarrollo acelerado, que no solo inyecta un nuevo y fuerte impulso al crecimiento económico de varios países, sino que también ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, hacer frente a los desafíos del cambio climático y mejorar el entorno ecológico global. .
A partir de 2021, las emisiones medias de dióxido de carbono de los turismos nuevos en la UE no superarán los 95 gramos por kilómetro. Para 2025 y 2030, será necesario reducirlos en 15% y 37,5% respectivamente sobre esta base.
El 31 de marzo, la administración Biden en Estados Unidos anunció que asignaría $174 mil millones de dólares para apoyar el desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía, de los cuales $100 mil millones de dólares se utilizarían directamente para subsidios al consumidor. El Consejo de Estado de China planea que para 2025, las ventas de vehículos de nueva energía representen alrededor de 20% del total de ventas de automóviles nuevos. (Fuente del informe: Future Think Tank)
El futuro del mercado del almacenamiento de energía es prometedor
A juzgar por el grado de comercialización de la tecnología a finales de 2020, las baterías de litio siguen siendo la nueva tecnología de almacenamiento de energía más madura y con la mayor proporción de aplicaciones (casi 90%).
Las "Opiniones orientativas sobre el nuevo almacenamiento de energía" señalan que de 3,28 GW a finales de 2020 a 30 GW en 2025, en los próximos cinco años (2020 ~ 2025), la escala del nuevo mercado de almacenamiento de energía de mi país se expandirá a 10 veces el nivel actual, con una tasa de crecimiento compuesto anual promedio de más de 55%.
Según las predicciones de CNESA, la tasa de crecimiento compuesta del almacenamiento de energía electroquímica se mantendrá en alrededor de 57% en escenarios conservadores y superará los 70% en escenarios ideales, es decir, la capacidad total instalada de almacenamiento de energía alcanzará 35,5GW y 55,8GW respectivamente para 2025.
Con el desarrollo de escenarios de uso como la generación de energía nueva y el almacenamiento de energía y el almacenamiento de energía en el hogar, la ventaja de costos del fosfato de hierro y litio se ha vuelto más prominente. Se espera que el costo cada vez menor de las baterías de fosfato de hierro y litio abra un enorme mercado de reemplazo de baterías de plomo-ácido.
Los recursos de fósforo y hierro son indispensables y el coste de integración es el rey
El fosfato de hierro y litio aumenta la demanda de fosfato de hierro. La oferta y la demanda de fosfato de hierro a corto plazo están estrechamente equilibradas y la oferta a largo plazo es escasa. Según las estadísticas de Baichuan Yingfu, en septiembre de 2021, la capacidad de producción de fosfato de hierro de mi país es de 356.000 toneladas, el ritmo de funcionamiento de las empresas sigue aumentando y la oferta y la demanda están estrechamente equilibradas. Suponiendo que 80% de la demanda futura de fosfato de hierro y litio se realizarán a través del proceso de fosfato de hierro, la demanda global de fosfato de hierro y litio de 2,724 millones de toneladas en 2025 corresponderá a aproximadamente 2,09 millones de toneladas de demanda de fosfato de hierro. Según el plan de capacidad de producción de fosfato de hierro a septiembre de 2021, superará las 300 toneladas. millones de toneladas, esperamos un suministro suficiente de fosfato de hierro a largo plazo.
Fuente de hierro: las empresas de dióxido de titanio tienen la ventaja de la fuente de hierro al ingresar al negocio del fosfato de hierro y litio.
Las empresas de dióxido de titanio tienen fuentes de hierro de costo cero y disfrutan de efectos sinérgicos. El sulfato ferroso, un subproducto de la empresa de dióxido de titanio y ácido sulfúrico, es la fuente de hierro en la materia prima para la producción de fosfato de hierro y litio. La producción de una sola tonelada de dióxido de titanio puede producir aproximadamente 3 toneladas de sulfato ferroso. Es difícil procesar una gran cantidad de residuos sólidos de sulfato ferroso. El apilamiento y la eliminación causan problemas de contaminación ambiental y desperdician recursos. Después del pretratamiento, los desechos sólidos de sulfato ferroso se pueden usar para producir fosfato de hierro apto para baterías y luego producir materiales para baterías de fosfato de hierro y litio, lo que mejora la utilización de recursos, reduce el costo de la materia prima de la producción de fosfato de hierro y litio y tiene efectos sinérgicos significativos. . Calculado en base al precio promedio del mercado de materias primas en el 21S1, el suministro de fuentes de hierro puede ahorrar 1.676 yuanes por tonelada en comparación con las empresas de subcontratación de fuentes de hierro. A medida que se abre gradualmente el camino del proceso para que el sulfato ferroso prepare materiales de baterías de fosfato de hierro y litio, ha brindado oportunidades a toda la industria del dióxido de titanio. Algunas empresas han eliminado los productos de sulfato ferroso purificado, mientras que otras han aprovechado sus ventajas de recursos para aprovechar la oportunidad de ingresar a baterías de nueva energía. campo de materiales.
Fuente de fósforo: las empresas químicas de fósforo tienen ventajas de costos al ingresar a la industria del fosfato de hierro y litio
Las empresas proveedoras de fuentes de fósforo tienen mayores ventajas de costos. Según el cálculo del precio promedio de mercado en el 21S1, si se compra ácido fosfórico de alta pureza 85% como fuente de fósforo, el costo de la fuente de fósforo de una sola tonelada de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 4.124 yuanes. Para las empresas de recursos de roca fosfórica que utilizan tecnología de purificación húmeda para producir ácido fosfórico por sí mismas, el costo por tonelada es de aproximadamente 1.989 yuanes por tonelada. Las empresas de fosfato de hierro y litio que proporcionan sus propias fuentes de fósforo tienen una ventaja de costos de aproximadamente 2.135 yuanes por tonelada. En comparación con las empresas de dióxido de titanio que proporcionan fuentes de hierro, tienen una mayor ventaja de costes.
El fosfato de hierro y litio ha aumentado considerablemente el valor añadido de los recursos de fósforo. En el campo de los fertilizantes agrícolas tradicionales, una sola tonelada de fertilizante agrícola de fosfato monoamónico requiere alrededor de 1,75 toneladas de roca fosfórica, y una sola tonelada de roca fosfórica puede generar una ganancia de alrededor de 172 yuanes. El consumo unitario de mineral de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 2,26 toneladas. Según el precio medio de mercado del 21S1, el beneficio industrial de una sola tonelada de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 4.439 yuanes, por lo que una sola tonelada de mineral de fosfato corresponde a un margen de beneficio de 1.964 yuanes. El fosfato de hierro y litio tiene un alto valor añadido y puede generar más de 10 veces los ingresos de los fertilizantes agrícolas, lo que abre una ventana para mejorar la valoración de las empresas de productos químicos de fósforo.
Las empresas químicas de fósforo tienen recursos de fósforo y acumulación de tecnología. El ácido fosfórico de alta pureza para baterías o el fosfato monoamónico de grado industrial es una importante fuente de fósforo en la producción de fosfato de hierro y litio. Las empresas químicas de fósforo tradicionales tienen ventajas en materia de recursos de fósforo; A corto plazo, las empresas con capacidad de producción de fosfato de amonio de alta pureza/fosfato de amonio de grado industrial tendrán fosfato de hierro como fuente directa de fósforo de litio, dominando recursos y ventajas tecnológicas.
