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 diversas baterías de iones de litio. Desde que la empresa japonesa NTT reveló por primera vez el material de cátodo para baterías de litio con estructura de olivino 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 LiFePO4. El grupo también informó posteriormente sobre la transferencia reversible de litio hacia dentro y hacia fuera del LiFePO4.
La publicación simultánea de la estructura de olivino (LiMPO4) por parte de Estados Unidos y Japón atrajo gran atención hacia este material e impulsó una extensa investigación y un rápido desarrollo. En comparación con los materiales catódicos tradicionales para baterías secundarias de iones de litio, como el LiMn2O4 con estructura de espinela y el LiCoO2 con estructura laminar, el LiMPO4 cuenta con una mayor disponibilidad de materias primas, es más económico 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 para las baterías de iones de litio. En comparación con otros materiales catódicos, presenta las siguientes ventajas:
(1) Bajo costo. En comparación con los materiales catódicos ternarios, el fosfato de hierro y litio es relativamente barato, tiene un proceso de producción relativamente simple y causa poca contaminación ambiental.
(2) El batería Posee una buena seguridad. Los materiales de fosfato de hierro y litio no contienen metales pesados perjudiciales para la salud. No generan gases nocivos a altas temperaturas, ni producen gases tóxicos, niebla ácida ni otras sustancias tóxicas.
(3) Larga vida útil. La vida útil del fosfato de hierro y litio suele ser de más de 500 veces, lo que es mucho mayor que la 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 rendimiento de velocidad, y pueden mantener un buen rendimiento en condiciones de baja temperatura.
Cuando se produce un cortocircuito en el material del cátodo de fosfato de hierro y litio, no provocará situaciones peligrosas como incendios o explosiones, ni producirá gases tóxicos, niebla ácida u otras sustancias venenosas.
Método de preparación del fosfato de hierro y litio
En la actualidad, los métodos de preparación de materiales de fosfato de hierro y litio incluyen principalmente la síntesis en fase sólida a alta temperatura, la coprecipitación, el método sol-gel y los métodos hidrotermales.
Método de síntesis en fase sólida a alta temperaturaEl método de síntesis en fase sólida a alta temperatura se refiere a la preparación de materiales de fosfato de hierro y litio con 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 consiste en utilizar el calor liberado durante la descomposición de la fuente de carbono para llevar a cabo la reacción a baja temperatura.
Al controlar las condiciones de reacción, se puede controlar la morfología, el tamaño de partícula, la cristalinidad y la estructura cristalina del fosfato de hierro y litio, lo que permite preparar fosfato de hierro y litio con diferentes morfologías y formas cristalinas.
La ventaja radica en el bajo costo de producción, pero el método de síntesis en fase sólida a alta temperatura presenta numerosos inconvenientes. Por ejemplo, si la temperatura es demasiado alta, los granos del material crecerán, lo que resultará en un rendimiento deficiente; el precio de las materias primas es elevado y el costo de producción es alto; además, durante el proceso de preparación se generan fácilmente residuos como líquidos y desechos.
Método de precipitaciónSe mezclan las materias primas de manera uniforme en una proporción determinada, se añaden los aditivos adecuados, se deja reaccionar a una temperatura específica, se filtra, se lava y se seca para obtener fosfato de hierro y litio. El método de coprecipitación presenta un proceso de producción sencillo y permite 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 obtenidos mediante este método es relativamente estable.
Método sol-gelSe refiere a mezclar primero la fuente de carbono y la fuente de aluminio y luego agregarlas al disolvente orgánico para agitar y elevar la temperatura hasta alcanzar una temperatura predeterminada; luego la solución se filtra y lava, seca, dispersa y muele a baja temperatura para preparar nanofosfato de hierro y litio. El fosfato de hierro y litio sintetizado por este método tiene granos finos, alta cristalinidad y rendimiento estable. Sin embargo, el método sol-gel tiene un alto costo, un proceso de preparación complicado y serios problemas de aglomeración del producto.
Ventajas y desventajas del uso de materiales de fosfato de hierro y litio para la producción de baterías.
Ventajas de los materiales de fosfato de hierro y litio: Los materiales de fosfato de hierro y litio ofrecen una gran capacidad específica, una larga vida útil, una plataforma de bajo voltaje, alta seguridad y una fuerte adaptabilidad ambiental. Se consideran uno de los materiales catódicos más prometedores para baterías de iones de litio. Además, se caracterizan por su bajo precio y amplia disponibilidad.
Problemas con los materiales de fosfato de hierro y litio: durante el proceso de preparación de estos materiales, se forman fácilmente cristales de ácido fosfórico, 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 provoca una disminución de la capacidad; y los ácidos orgánicos generados por las reacciones del electrolito también pueden afectar negativamente al 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 partícula de estos materiales es fundamental para optimizar su rendimiento electroquímico. Las investigaciones demuestran que, a medida que aumentan el tamaño de partícula y la superficie específica, también mejora el rendimiento electroquímico. Asimismo, optimizar el electrolito y el aglutinante 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 experimentando un 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, a hacer frente a los desafíos del cambio climático y a mejorar el medio ambiente ecológico mundial.
A partir de 2021, las emisiones medias de dióxido de carbono de los turismos nuevos en la UE no deberán superar los 95 gramos por kilómetro. Para 2025 y 2030, deberán reducirse en 151 TP3T y 37,51 TP3T respectivamente, sobre esta base.
El 31 de marzo, la administración Biden en Estados Unidos anunció que destinaría 174 mil millones de dólares estadounidenses a apoyar el desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía, de los cuales 100 mil millones se utilizarían directamente para subsidios al consumidor. El Consejo de Estado de China prevé que para 2025, las ventas de vehículos de nueva energía representen aproximadamente 201.300 millones de dólares del total de ventas de automóviles nuevos. (Fuente del informe: Future Think Tank)
El futuro del mercado de 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 tecnología de almacenamiento de energía nueva más madura y con la mayor proporción de aplicaciones (casi 90%).
Las "Opiniones orientativas sobre el almacenamiento de energía nueva" 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 mercado de almacenamiento de energía nueva de mi país se expandirá hasta 10 veces el nivel actual, con una tasa de crecimiento anual compuesta promedio de más de 551 TP3T.
Según las predicciones de CNESA, la tasa de crecimiento compuesto del almacenamiento electroquímico de energía se mantendrá en torno a 57% en escenarios conservadores, y superará los 70% en escenarios ideales; es decir, la capacidad total instalada de almacenamiento de energía alcanzará los 35,5 GW y los 55,8 GW respectivamente para 2025.
Con el desarrollo de escenarios de uso como la generación y el almacenamiento de energía renovable, así como el almacenamiento de energía doméstica, la ventaja en costos del fosfato de hierro y litio se ha vuelto más evidente. Se espera que la disminución del costo de las baterías de fosfato de hierro y litio abra un enorme mercado de reemplazo para las baterías de plomo-ácido.
Los recursos de fósforo y hierro son indispensables, y el costo de integración es fundamental.
El fosfato de hierro y litio impulsa la demanda de fosfato de hierro. A corto plazo, la oferta y la demanda de fosfato de hierro están estrechamente equilibradas, mientras que a largo plazo la oferta es amplia. Según las estadísticas de Baichuan Yingfu, a septiembre de 2021, la capacidad de producción de fosfato de hierro de nuestro país es de 356.000 toneladas, la tasa de operación de las empresas continúa aumentando y la oferta y la demanda están estrechamente equilibradas. Suponiendo que la demanda futura de fosfato de hierro y litio de 80% se realizará a través del proceso de fosfato de hierro, la demanda mundial 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 los 300 millones de toneladas, por lo que esperamos un suministro suficiente de fosfato de hierro a largo plazo.
Fuente de hierro: Las empresas de dióxido de titanio tienen la ventaja de contar con una fuente de hierro al ingresar al negocio del fosfato de hierro y litio.
Las empresas de dióxido de titanio cuentan con fuentes de hierro a costo cero y disfrutan de efectos sinérgicos. El sulfato ferroso, un subproducto de la producción de dióxido de titanio con ácido sulfúrico, es la fuente de hierro en las materias primas para la producción de fosfato de hierro y litio. La producción de una tonelada de dióxido de titanio puede generar aproximadamente 3 toneladas de sulfato ferroso. El procesamiento de grandes cantidades de residuos sólidos de sulfato ferroso es complejo. Su apilamiento y eliminación causan contaminación ambiental y desperdicio de recursos. Tras un pretratamiento, los residuos sólidos de sulfato ferroso pueden utilizarse para producir fosfato de hierro de grado batería y, posteriormente, materiales para baterías de fosfato de hierro y litio, lo que mejora la utilización de los recursos, reduce el costo de las materias primas para la producción de fosfato de hierro y litio y genera importantes efectos sinérgicos. Calculado con base en el precio promedio de mercado de las materias primas en el primer semestre del año, el suministro de hierro puede ahorrar 1676 yuanes por tonelada en comparación con las empresas que subcontratan el suministro de hierro. A medida que se abre gradualmente el proceso de transformación del sulfato ferroso en materiales para baterías de fosfato de hierro y litio, se abren nuevas oportunidades para toda la industria del dióxido de titanio. Algunas empresas se han apropiado de los productos de sulfato ferroso purificado, mientras que otras han aprovechado sus ventajas en recursos para entrar en el campo de los materiales para baterías de nueva energía.
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 fósforo tienen mayores ventajas de costos. Según el cálculo del precio promedio de mercado en 21H1, si se compra ácido fosfórico de alta pureza 85% como fuente de fósforo, el costo de la fuente de fósforo por tonelada de fosfato de hierro y litio es de aproximadamente 4.124 yuanes. Para las empresas de recursos de roca fosfática que utilizan tecnología de purificación húmeda para producir ácido fosfórico por sí mismas, el costo por tonelada es de aproximadamente 1.989 yuanes/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/tonelada. En comparación con las empresas de dióxido de titanio que proporcionan fuentes de hierro, tienen una ventaja de costos mayor.
El fosfato de hierro y litio ha incrementado considerablemente el valor añadido de los recursos de fósforo. En el sector tradicional de fertilizantes agrícolas, una tonelada de fosfato monoamónico requiere aproximadamente 1,75 toneladas de roca fosfática, y una tonelada de roca fosfática genera un beneficio de unos 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 primer semestre del año anterior (21H1), el beneficio industrial por tonelada de fosfato de hierro y litio es de unos 4.439 yuanes, por lo que una tonelada de mineral de fosfato corresponde a un margen de beneficio de 1.964 yuanes. El fosfato de hierro y litio posee un alto valor añadido y puede generar más de diez veces los ingresos de los fertilizantes agrícolas, lo que abre una oportunidad para mejorar la valoración de las empresas químicas de fósforo.
Las empresas químicas de fósforo poseen recursos de fósforo y una sólida base tecnológica. El ácido fosfórico de alta pureza para baterías o el fosfato monoamónico de grado industrial constituyen una importante fuente de fósforo para la producción de fosfato de hierro y litio. Las empresas químicas tradicionales de fósforo cuentan con ventajas en cuanto a recursos de fósforo; a corto plazo, las empresas con capacidad de producción de fosfato de amonio de alta pureza o de grado industrial tendrán acceso directo a la fuente de fósforo para la producción de litio, gracias a su dominio de los recursos y las ventajas tecnológicas.