O fosfato de ferro-lítio é um material de eletrodo para baterias de íon-lítio com a fórmula química LiFePO4 (abreviado como LFP). É usado principalmente em diversas baterias de íon-lítio. Desde que a NTT do Japão revelou pela primeira vez o material catódico para baterias de lítio com estrutura olivina, 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 e relataram a transferência reversível de lítio para dentro e para fora do LiFePO4.
Os Estados Unidos e o Japão publicaram coincidentemente a estrutura olivina (LiMPO4), o que despertou grande interesse nesse material e impulsionou extensas pesquisas e rápido desenvolvimento. Comparado aos materiais catódicos tradicionais para baterias secundárias de íon-lítio, como o LiMn2O4 com estrutura espinélio e o LiCoO2 com estrutura em camadas, o LiMPO4 possui fontes de matéria-prima mais amplas, é mais barato e não causa poluição ambiental.
Características básicas do fosfato de ferro-lítio
O fosfato de ferro-lítio é atualmente o material catódico mais promissor para baterias de íon-lítio. Comparado a outros materiais catódicos, apresenta 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 Possui boa segurança. Os materiais de fosfato de ferro-lítio não contêm metais pesados prejudiciais ao corpo humano. Não produzem gases nocivos em altas temperaturas, nem gases tóxicos, névoa ácida ou outras substâncias.
(3) Longa vida útil. A vida útil do fosfato de ferro-lítio é geralmente superior a 500 vezes, muito superior à 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 desempenho de taxa e podem manter um bom desempenho em condições de baixa temperatura.
Quando ocorre um curto-circuito no material catódico de fosfato de ferro-lítio, isso não causa situações perigosas como incêndio ou explosão, nem produz gases tóxicos, névoa ácida, gases venenosos ou outras substâncias.
Método de preparação do fosfato de ferro e lítio
Atualmente, os métodos de preparação de materiais de fosfato de ferro e lítio incluem principalmente a síntese em fase sólida em alta temperatura, a coprecipitação, o método sol-gel e os métodos hidrotérmicos.
Método de síntese em fase sólida em alta temperaturaO método de síntese em fase sólida a alta temperatura refere-se à preparação de materiais de fosfato de ferro e lítio com morfologia específica, controlando as condições de reação à temperatura ambiente. O princípio fundamental da síntese em fase sólida a alta temperatura é utilizar o calor liberado durante a decomposição da fonte de carbono para realizar a reação a baixa temperatura.
Controlando as condições de reação, é possível controlar a morfologia, o tamanho das partículas, a cristalinidade e a estrutura cristalina do fosfato de ferro e lítio, preparando assim fosfato de ferro e lítio com diferentes morfologias e formas cristalinas.
A vantagem é o baixo custo de produção, mas o método de síntese em fase sólida a alta temperatura apresenta muitas desvantagens. Por exemplo, se a temperatura for muito alta, os grãos do material crescerão, resultando em baixo desempenho; o preço das matérias-primas é elevado e o custo de produção é alto; durante o processo de preparação, é fácil gerar resíduos como líquidos e efluentes.
Método de precipitaçãoMisturam-se as matérias-primas uniformemente em uma determinada proporção, adicionam-se os aditivos apropriados, reagem a uma determinada temperatura, filtram-se, lavam-se e secam-se para obter produtos de fosfato de ferro e lítio. O método de coprecipitação possui um processo de produção simples e permite 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 e lítio preparados pelo método de coprecipitação é relativamente estável.
Método sol-gelO método sol-gel consiste em misturar inicialmente a fonte de carbono e a fonte de alumínio, adicionando-as em seguida a um solvente orgânico sob agitação e elevando a temperatura até atingir um valor predeterminado. A solução resultante é então filtrada, lavada, seca, dispersa e moída em baixa temperatura para a preparação do fosfato de ferro-lítio em nanoescala. O fosfato de ferro-lítio sintetizado por este método apresenta grãos finos, alta cristalinidade e desempenho estável. No entanto, o método sol-gel possui alto custo, processo de preparação complexo e sérios problemas de aglomeração do produto.
Vantagens e desvantagens do uso de materiais de fosfato de ferro-lítio na produção de baterias de energia.
Vantagens dos materiais de fosfato de ferro-lítio: Os materiais de fosfato de ferro-lítio apresentam vantagens como alta capacidade específica, longa vida útil, plataforma de baixa tensão, alta segurança e forte adaptabilidade ambiental. São considerados um dos materiais catódicos mais promissores para baterias de íon-lítio. Além disso, possuem características como baixo custo e ampla disponibilidade.
Problemas com materiais de fosfato de ferro-lítio: cristais de ácido fosfórico se formam facilmente durante o processo de preparação desses materiais, reduzindo sua condutividade; a estrutura cristalina do fosfato de ferro-lítio sofre grandes alterações em altas temperaturas e apresenta baixa estabilidade; ele é propenso a variações de volume, levando à atenuação da capacidade; e os ácidos orgânicos gerados pelas reações do eletrólito também podem afetar negativamente o desempenho da bateria.
Medidas para melhorar o desempenho de 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 desses materiais. Pesquisas mostram 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 veículos de novas energias continuam em plena expansão.
A indústria global de veículos de novas energias está entrando em uma nova fase de desenvolvimento acelerado, que não só injeta um forte novo impulso no crescimento econômico de vários países, mas também ajuda a reduzir as emissões de gases de efeito estufa, a enfrentar os desafios das mudanças climáticas e a melhorar o ambiente ecológico global.
A partir de 2021, a média das emissões de dióxido de carbono dos novos veículos de passageiros na UE não deverá ser superior a 95 gramas por quilômetro. Até 2025 e 2030, essas emissões deverão ser reduzidas em 151 TP3T e 37,51 TP3T, respectivamente, com base nessa meta.
Em 31 de março, o governo Biden, nos Estados Unidos, anunciou a alocação de US$ 1,4 trilhão (174 bilhões de dólares) para apoiar o desenvolvimento da indústria de veículos de novas energias, dos quais US$ 1,4 trilhão (100 bilhões de dólares) serão destinados diretamente a subsídios ao consumidor. O Conselho de Estado da China prevê que, até 2025, as vendas de veículos de novas energias representarão cerca de 201 trilhões (3 trilhões de dólares) 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 tecnologia de armazenamento de energia mais madura, com a maior proporção de aplicações (quase 90%).
O documento “Novas Orientações sobre Armazenamento de Energia” aponta que, de 3,28 GW no final de 2020 para 30 GW em 2025, nos próximos cinco anos (2020 a 2025), a escala do mercado de armazenamento de energia do meu país se expandirá dez vezes em relação ao nível atual, com uma taxa média de crescimento anual composta de mais de 551 TP3T.
De acordo com as previsões da CNESA, a taxa de crescimento composta do armazenamento eletroquímico de energia permanecerá em torno de 57% em cenários conservadores e ultrapassará 70% em cenários ideais, ou seja, a capacidade total instalada de armazenamento de energia atingirá 35,5 GW e 55,8 GW, respectivamente, até 2025.
Com o desenvolvimento de cenários de uso como a geração de energia renovável, o armazenamento de energia e o armazenamento de energia residencial, a vantagem de custo das baterias de fosfato de ferro-lítio tornou-se mais evidente. A redução do custo dessas baterias deverá abrir um enorme mercado para a substituição das baterias de chumbo-ácido.
Os recursos de fósforo e ferro são indispensáveis, e o custo de integração é o fator primordial.
O fosfato de ferro-lítio impulsiona a demanda por fosfato de ferro. A oferta e a demanda de fosfato de ferro estão em equilíbrio no curto prazo, enquanto a oferta no longo prazo é frouxa. De acordo com as estatísticas da Baichuan Yingfu, em setembro de 2021, a capacidade de produção de fosfato de ferro do país era de 356.000 toneladas, a taxa de operação das empresas continua a aumentar e a oferta e a demanda estão em equilíbrio. Supondo que 801.000 toneladas da demanda futura de fosfato de ferro-lítio sejam atendidas pelo processo de fosfato de ferro, a demanda global de fosfato de ferro-lítio de 2,724 milhões de toneladas em 2025 corresponderá a aproximadamente 2,09 milhões de toneladas de demanda de fosfato de ferro. De acordo com o plano de capacidade de produção de fosfato de ferro em setembro de 2021, que ultrapassará 300 milhões de toneladas, esperamos um fornecimento suficiente de fosfato de ferro no longo prazo.
Fonte de ferro: As empresas de dióxido de titânio têm a vantagem de possuir uma fonte de ferro ao entrar no mercado de fosfato de ferro-lítio.
As empresas de dióxido de titânio possuem fontes de ferro a custo zero e desfrutam de efeitos sinérgicos. O sulfato ferroso, um subproduto da produção de dióxido de titânio a partir de ácido sulfúrico, é a fonte de ferro na matéria-prima para a produção de fosfato de ferro-lítio. A produção de uma única tonelada de dióxido de titânio pode gerar aproximadamente 3 toneladas de sulfato ferroso. O processamento de grandes quantidades de resíduos sólidos de sulfato ferroso é complexo. O empilhamento e o descarte inadequado causam problemas de poluição ambiental e desperdício de recursos. Após o pré-tratamento, o sulfato ferroso pode ser utilizado para produzir fosfato de ferro de grau para baterias, e posteriormente, materiais para baterias de fosfato de ferro-lítio. Isso melhora a utilização de recursos, reduz o custo da matéria-prima para a produção de fosfato de ferro-lítio e apresenta efeitos sinérgicos significativos. Calculando com base no preço médio de mercado da matéria-prima no primeiro semestre de 2021, o fornecimento da fonte de ferro pode gerar uma economia de 1.676 yuans por tonelada em comparação com empresas que terceirizam o fornecimento de ferro. À medida que o processo de utilização do sulfato ferroso para a preparação de materiais para baterias de fosfato de ferro-lítio se torna mais acessível, novas oportunidades surgem para toda a indústria de dióxido de titânio. Algumas empresas deixaram de produzir sulfato ferroso purificado, enquanto outras aproveitaram suas vantagens em recursos para entrar no campo de materiais para baterias de nova geração.
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 fósforo têm vantagens de custo maiores. De acordo com o cálculo do preço médio de mercado no primeiro semestre de 2021 (21H1), se o ácido fosfórico de alta pureza 85% for adquirido como fonte de fósforo, o custo da fonte de fósforo por tonelada de fosfato de ferro-lítio é de aproximadamente 4.124 yuans. Para empresas de extração de rocha fosfática que utilizam tecnologia de purificação úmida para produzir ácido fosfórico internamente, o custo por tonelada de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 1.989 yuans/tonelada. 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. Comparadas com as empresas de dióxido de titânio que fornecem as fontes de ferro, elas têm uma vantagem de custo ainda maior.
O fosfato de ferro-lítio aumentou significativamente o valor agregado dos recursos de fósforo. No setor tradicional de fertilizantes agrícolas, uma tonelada de fosfato monoamônico requer cerca de 1,75 toneladas de rocha fosfática, e uma tonelada de rocha fosfática pode gerar um lucro de aproximadamente 172 yuans. O consumo unitário de minério de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 2,26 toneladas. De acordo com o preço médio de mercado do primeiro semestre de 2021, o lucro da indústria por tonelada de fosfato de ferro-lítio é de cerca de 4.439 yuans, o que corresponde a uma margem de lucro de 1.964 yuans por tonelada de minério de fosfato. O fosfato de ferro-lítio possui alto valor agregado e pode gerar mais de 10 vezes a receita dos fertilizantes agrícolas, abrindo uma oportunidade para a valorização dos recursos das empresas químicas de fósforo.
As empresas químicas de fósforo possuem recursos e tecnologia acumulados nessa área. O ácido fosfórico de alta pureza para baterias ou o fosfato monoamônico de grau industrial são importantes fontes de fósforo na produção de fosfato de ferro-lítio. As empresas químicas de fósforo tradicionais têm vantagens em relação aos recursos do fósforo; a curto prazo, as empresas com capacidade de produção de fosfato de amônio de alta pureza/fosfato de amônio de grau industrial terão o fosfato de ferro como fonte direta de fósforo para o lítio, dominando os recursos e as vantagens tecnológicas.