O fosfato de ferro-lítio é um material de eletrodo de bateria de íon-lítio com a fórmula química LiFePO4 (abreviadamente LFP). É usado principalmente em várias baterias de íons de lítio. Desde que a NTT do Japão revelou pela primeira vez o material do cátodo da bateria de lítio com estrutura de olivina de AyMPO4 (A é um metal alcalino, M é uma combinação de CoFe: LiFeCoPO4) em 1996, em 1997, John. B. Goodenough e outros da Universidade do Texas em Austin, nos Estados Unidos, estudaram. O grupo também relatou posteriormente a transferência reversível de lítio para dentro e para fora do LiFePO4.
Os Estados Unidos e o Japão publicaram coincidentemente a estrutura da olivina (LiMPO4), que atraiu grande atenção para este material e causou extensa pesquisa e rápido desenvolvimento. Comparado com os tradicionais materiais catódicos de bateria secundária de íon de lítio, estrutura de espinélio LiMn2O4 e estrutura em camadas LiCoO2, o LiMPO4 tem fontes mais amplas de matérias-primas, é mais barato e não tem poluição ambiental.
Características básicas do fosfato de ferro-lítio
O fosfato de ferro-lítio é atualmente o material catódico mais promissor em baterias de íon-lítio. Comparado com outros materiais catódicos, tem as seguintes vantagens:
(1) Baixo custo. Comparado com materiais catódicos ternários, o fosfato de ferro-lítio é relativamente barato, tem um processo de produção relativamente simples e causa pouca poluição ambiental.
(2) O bateria tem boa segurança. Os materiais de fosfato de ferro-lítio não contêm elementos de metais pesados que sejam prejudiciais ao corpo humano. Eles não produzirão gases nocivos a altas temperaturas, nem produzirão gases venenosos, névoa ácida e outras substâncias.
(3) Ciclo de vida longo. O ciclo de vida do fosfato de ferro-lítio é geralmente superior a 500 vezes, o que é muito maior do que o do lítio ternário, e sua vida útil pode chegar a mais de 10 anos.
(4) Excelente desempenho eletroquímico. Os materiais de fosfato de ferro-lítio têm alto desempenho de ciclo e taxa de desempenho e podem manter um bom desempenho em condições de baixa temperatura.
Quando ocorre um curto-circuito no material do cátodo de fosfato de ferro-lítio, ele não causará situações perigosas, como queima ou explosão, nem produzirá gases tóxicos, névoa ácida ou gases venenosos e outras substâncias.
Método de preparação de fosfato de ferro-lítio
Atualmente, os métodos de preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio incluem principalmente síntese em fase sólida em alta temperatura, co-precipitação, métodos sol-gel e hidrotérmicos.
Método de síntese em fase sólida de alta temperatura: O método de síntese em fase sólida de alta temperatura refere-se à preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio com morfologia específica, controlando as condições de reação à temperatura ambiente. O princípio principal da síntese em fase sólida em alta temperatura é usar o calor liberado quando a fonte de carbono é decomposta para realizar a reação em baixa temperatura.
Ao controlar as condições de reação, a morfologia, o tamanho das partículas, a cristalinidade e a estrutura cristalina do fosfato de ferro-lítio podem ser controlados, preparando assim o fosfato de ferro-lítio com diferentes morfologias e formas cristalinas.
A vantagem é que o custo de produção é baixo, mas o método de síntese em fase sólida a alta temperatura tem muitas deficiências. Por exemplo, se a temperatura for muito alta, os grãos do material crescerão, resultando em mau desempenho do material; o preço das matérias-primas é alto e o custo de produção é grande; durante o processo de preparação É fácil gerar resíduos, como resíduos líquidos e resíduos residuais.
Método de precipitação: Misture as matérias-primas uniformemente em uma determinada proporção, adicione aditivos apropriados, reaja a uma determinada temperatura, filtre, lave e seque para obter produtos de fosfato de ferro-lítio. O método de coprecipitação possui um processo de produção simples e pode controlar a morfologia e o tamanho das partículas do produto. Atualmente é o método de preparação mais utilizado. O desempenho dos produtos de fosfato de ferro-lítio preparados pelo método de co-precipitação é relativamente estável.
Método sol-gel: refere-se a primeiro misturar a fonte de carbono e a fonte de alumínio e depois adicioná-las ao solvente orgânico para agitar e aumentar a temperatura até atingir uma temperatura predeterminada; em seguida, a solução é filtrada e lavada, seca, dispersa e moída a baixa temperatura para preparar fosfato de nano-ferro. lítio. O fosfato de ferro-lítio sintetizado por este método possui grãos finos, alta cristalinidade e desempenho estável. Porém, o método sol-gel apresenta alto custo, processo de preparação complicado e sérios problemas de aglomeração do produto.
Vantagens e desvantagens do uso de materiais de fosfato de ferro-lítio para produzir baterias de energia
Vantagens dos materiais de fosfato de ferro-lítio: Os materiais de fosfato de ferro-lítio têm as vantagens de grande capacidade específica, ciclo de vida longo, plataforma de baixa tensão, alta segurança e forte adaptabilidade ambiental. Eles são considerados um dos materiais catódicos de baterias de íons de lítio mais promissores. . Além disso, também possui características de preço baixo e ampla fonte.
Problemas com materiais de fosfato de ferro-lítio: cristais de ácido fosfórico são facilmente formados durante o processo de preparação de materiais de fosfato de ferro-lítio, o que reduz sua condutividade; a estrutura cristalina do fosfato de ferro-lítio muda muito em altas temperaturas e tem pouca estabilidade; está sujeito a alterações de volume, levando à atenuação da capacidade; e Os ácidos orgânicos gerados pelas reações eletrolíticas também podem afetar negativamente o desempenho da bateria.
Medidas para melhorar o desempenho dos materiais de fosfato de ferro-lítio: Melhorar a área superficial específica e o tamanho das partículas dos materiais de fosfato de ferro-lítio são medidas importantes para melhorar o desempenho eletroquímico dos materiais de fosfato de ferro-lítio. A pesquisa mostra que à medida que o tamanho das partículas e a área superficial específica aumentam, o desempenho eletroquímico dos materiais de fosfato de ferro-lítio também aumenta. Além disso, otimizar o eletrólito e o aglutinante também é um meio importante para melhorar o desempenho das baterias de fosfato de ferro-lítio.
A demanda do mercado de fosfato de ferro-lítio está crescendo rapidamente
Os novos veículos energéticos continuam a crescer
A indústria global de veículos com novas energias está a entrar numa nova fase de desenvolvimento acelerado, que não só injecta um novo e forte impulso no crescimento económico de vários países, mas também ajuda a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, a enfrentar os desafios das alterações climáticas e a melhorar o ambiente ecológico global. .
A partir de 2021, as emissões médias de dióxido de carbono dos automóveis novos de passageiros na UE não deverão ser superiores a 95 gramas por quilómetro. Até 2025 e 2030, terão de ser reduzidos em 15% e 37,5%, respetivamente, nesta base.
Em 31 de março, a administração Biden nos Estados Unidos anunciou que alocaria US$174 bilhões para apoiar o desenvolvimento da nova indústria de veículos energéticos, dos quais US$100 bilhões serão usados diretamente para subsídios ao consumidor. O Conselho de Estado da China planeja que, até 2025, as vendas de veículos com novas energias representem cerca de 20% do total de vendas de automóveis novos. (Fonte do relatório: Future Think Tank)
O futuro do mercado de armazenamento de energia é promissor
A julgar pelo grau de comercialização da tecnologia no final de 2020, as baterias de lítio ainda são a nova tecnologia de armazenamento de energia mais madura, com a maior proporção de aplicação (quase 90%).
As “Novas Opiniões de Orientação sobre Armazenamento de Energia” apontam que de 3,28 GW no final de 2020 para 30 GW em 2025, nos próximos cinco anos (2020 ~ 2025), a escala do novo mercado de armazenamento de energia do meu país se expandirá para 10 vezes o nível atual, com uma taxa composta média anual de crescimento superior a 55%.
De acordo com as previsões do CNESA, a taxa composta de crescimento do armazenamento de energia eletroquímica permanecerá em torno de 57% em cenários conservadores, e excederá 70% em cenários ideais, ou seja, a capacidade total instalada de armazenamento de energia atingirá 35,5GW e 55,8GW, respectivamente, até 2025.
Com o desenvolvimento de cenários de uso, como nova geração de energia e armazenamento de energia e armazenamento doméstico de energia, a vantagem de custo do fosfato de ferro-lítio tornou-se mais proeminente. Espera-se que o custo decrescente das baterias de fosfato de ferro-lítio abra um enorme mercado de substituição de baterias de chumbo-ácido.
Os recursos de fósforo e ferro são indispensáveis e o custo de integração é fundamental
O fosfato de ferro-lítio aumenta a demanda por fosfato de ferro. A oferta e a procura de fosfato de ferro a curto prazo estão estreitamente equilibradas e a oferta a longo prazo é frouxa. De acordo com estatísticas de Baichuan Yingfu, em setembro de 2021, a capacidade de produção de fosfato de ferro do meu país era de 356.000 toneladas, a taxa operacional das empresas continua a aumentar e a oferta e a demanda estão fortemente equilibradas. Supondo que 80% da demanda futura de fosfato de ferro-lítio será realizada através do processo de fosfato de ferro, a demanda global por fosfato de ferro-lítio de 2,724 milhões de toneladas em 2025 corresponderá a aproximadamente 2,09 milhões de toneladas de demanda por fosfato de ferro. De acordo com o plano de capacidade de produção de fosfato de ferro a partir de setembro de 2021, ultrapassará 300 toneladas. milhões de toneladas, esperamos fornecimento suficiente de fosfato de ferro no longo prazo.
Fonte de ferro: As empresas de dióxido de titânio têm a vantagem da fonte de ferro ao entrar no negócio de fosfato de ferro-lítio
As empresas de dióxido de titânio possuem fontes de ferro de custo zero e desfrutam de efeitos sinérgicos. O sulfato ferroso, um subproduto da empresa de dióxido de titânio de ácido sulfúrico, é a fonte de ferro nas matérias-primas para a produção de fosfato de ferro-lítio. A produção de uma única tonelada de dióxido de titânio pode produzir aproximadamente 3 toneladas de sulfato ferroso. É difícil processar uma grande quantidade de resíduos sólidos de sulfato ferroso. O empilhamento e o descarte causam problemas de poluição ambiental e desperdiçam recursos. Após o pré-tratamento, os resíduos sólidos de sulfato ferroso podem ser usados para produzir fosfato de ferro para bateria e, em seguida, produzir materiais de bateria de fosfato de ferro-lítio, o que melhora a utilização de recursos, reduz o custo da matéria-prima da produção de fosfato de ferro-lítio e tem efeitos sinérgicos significativos . Calculado com base no preço médio de mercado da matéria-prima no 21S1, o fornecimento de fontes de ferro pode economizar 1.676 yuans por tonelada de custo em comparação com empresas de terceirização de fontes de ferro. À medida que o caminho do processo de sulfato ferroso para preparar materiais de bateria de fosfato de ferro-lítio é gradualmente aberto, isso traz oportunidades para toda a indústria de dióxido de titânio. Algumas empresas retiraram produtos de sulfato ferroso purificado, enquanto outras empresas aproveitaram as vantagens de seus recursos para aproveitar a oportunidade de introduzir novas baterias de energia. campo de materiais.
Fonte de fósforo: As empresas químicas de fósforo têm vantagens de custo ao entrar na indústria de fosfato de ferro-lítio
As empresas fornecedoras de fontes de fósforo têm maiores vantagens de custo. De acordo com o cálculo do preço médio de mercado em 21S1, se o ácido fosfórico de alta pureza 85% for adquirido como fonte de fósforo, o custo da fonte de fósforo de uma única tonelada de fosfato de ferro-lítio é de aproximadamente 4.124 yuans. Para empresas de recursos de rocha fosfática que usam tecnologia de purificação úmida para produzir ácido fosfórico por si mesmas, o custo por tonelada é O custo da fonte de fósforo por tonelada de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 1.989 yuans/ton. As empresas de fosfato de ferro-lítio que fornecem suas próprias fontes de fósforo têm uma vantagem de custo de cerca de 2.135 yuans/tonelada. Em comparação com as empresas de dióxido de titânio que fornecem fontes de ferro, elas apresentam uma vantagem de custo maior.
O fosfato de ferro-lítio aumentou muito o valor agregado dos recursos de fósforo. No campo tradicional de fertilizantes agrícolas, uma única tonelada de fertilizante agrícola fosfato monoamônico requer cerca de 1,75 toneladas de rocha fosfática, e uma única tonelada de rocha fosfática pode gerar um lucro de cerca de 172 yuans. O consumo unitário de minério de fosfato de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 2,26 toneladas. De acordo com o preço médio de mercado do 21S1, o lucro da indústria de uma única tonelada de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 4.439 yuans, portanto, uma única tonelada de minério de fosfato corresponde a uma margem de lucro de 1.964 yuans. O fosfato de ferro-lítio tem alto valor agregado e pode gerar mais de 10 vezes a receita de fertilizantes agrícolas, abrindo uma janela para melhoria de avaliação para empresas químicas de fósforo.
As empresas químicas de fósforo possuem recursos de fósforo e acúmulo de tecnologia. O ácido fosfórico de alta pureza para baterias ou fosfato monoamônico de nível industrial é uma importante fonte de fósforo na produção de fosfato de ferro-lítio. As empresas químicas tradicionais de fósforo têm vantagens em termos de recursos de fósforo; no curto prazo, as empresas com capacidade de produção de fosfato de amônio de alta pureza / fosfato de amônio de grau industrial terão fosfato de ferro Fonte direta de fósforo de lítio, dominando recursos e vantagens tecnológicas.
