Lithium iron phosphate là vật liệu điện cực pin lithium-ion có công thức hóa học LiFePO4 (viết tắt là LFP). Nó chủ yếu được sử dụng trong các loại pin lithium-ion khác nhau. Kể từ khi NTT của Nhật Bản lần đầu tiên tiết lộ vật liệu catốt pin lithium có cấu trúc olivin của AyMPO4 (A là kim loại kiềm, M là sự kết hợp của CoFe: LiFeCoPO4) vào năm 1996, năm 1997, John. B. Goodenough và những người khác từ Đại học Texas ở Austin ở Hoa Kỳ đã nghiên cứu. Nhóm sau đó cũng báo cáo về sự chuyển dịch thuận nghịch của lithium vào và ra khỏi LiFePO4.
Hoa Kỳ và Nhật Bản tình cờ công bố cấu trúc olivin (LiMPO4), điều này đã thu hút rất nhiều sự chú ý đến vật liệu này và gây ra sự nghiên cứu sâu rộng và phát triển nhanh chóng. So với vật liệu catốt pin thứ cấp lithium-ion truyền thống, cấu trúc Spinel LiMn2O4 và cấu trúc phân lớp LiCoO2, LiMPO4 có nguồn nguyên liệu thô rộng hơn, rẻ hơn và không gây ô nhiễm môi trường.
Đặc tính cơ bản của lithium sắt photphat
Lithium sắt photphat hiện là vật liệu làm cực âm hứa hẹn nhất trong pin lithium-ion. So với các vật liệu catốt khác, nó có những ưu điểm sau:
(1) Chi phí thấp. So với vật liệu catốt ba cực, lithium sắt photphat tương đối rẻ, quy trình sản xuất tương đối đơn giản và ít gây ô nhiễm môi trường.
(2) Cái ắc quy có độ an toàn tốt. Vật liệu lithium sắt photphat không chứa các nguyên tố kim loại nặng có hại cho cơ thể con người. Chúng sẽ không tạo ra khí độc hại ở nhiệt độ cao, cũng như không tạo ra khí độc, sương mù axit và các chất khác.
(3) Vòng đời dài. Tuổi thọ chu kỳ của lithium sắt photphat thường lớn hơn 500 lần, cao hơn nhiều so với lithium bậc ba và tuổi thọ của nó có thể lên tới hơn 10 năm.
(4) Hiệu suất điện hóa tuyệt vời. Vật liệu lithium sắt photphat có hiệu suất chu kỳ và tốc độ cao, đồng thời có thể duy trì hiệu suất tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp.
Khi xảy ra đoản mạch ở vật liệu catốt lithium sắt photphat, nó sẽ không gây ra các tình huống nguy hiểm như cháy hoặc nổ, cũng như không tạo ra khí độc, sương axit, khí độc và các chất khác.
Phương pháp điều chế lithium sắt photphat
Hiện nay, các phương pháp điều chế vật liệu lithium sắt photphat chủ yếu bao gồm tổng hợp pha rắn ở nhiệt độ cao, đồng kết tủa, sol-gel và phương pháp thủy nhiệt.
Phương pháp tổng hợp pha rắn nhiệt độ cao: Phương pháp tổng hợp pha rắn ở nhiệt độ cao đề cập đến việc điều chế vật liệu lithium sắt photphat có hình thái cụ thể bằng cách kiểm soát các điều kiện phản ứng ở nhiệt độ phòng. Nguyên lý chính của tổng hợp pha rắn ở nhiệt độ cao là sử dụng nhiệt thoát ra khi nguồn carbon bị phân hủy để thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp.
Bằng cách kiểm soát các điều kiện phản ứng, có thể kiểm soát hình thái, kích thước hạt, độ kết tinh và cấu trúc tinh thể của lithium sắt photphat, từ đó điều chế được lithium sắt photphat với các hình thái và dạng tinh thể khác nhau.
Ưu điểm là giá thành sản xuất thấp nhưng phương pháp tổng hợp pha rắn ở nhiệt độ cao còn nhiều khuyết điểm. Ví dụ, nếu nhiệt độ quá cao, các hạt nguyên liệu sẽ phát triển, dẫn đến hiệu suất vật liệu kém; giá nguyên liệu cao, chi phí sản xuất lớn; trong quá trình chuẩn bị Rất dễ tạo ra chất thải như chất lỏng thải và cặn thải.
Phương pháp lượng mưa: Trộn đều các nguyên liệu thô theo một tỷ lệ nhất định, thêm các chất phụ gia thích hợp, phản ứng ở nhiệt độ nhất định, lọc, rửa và sấy khô để thu được sản phẩm lithium iron phosphate. Phương pháp đồng kết tủa có quy trình sản xuất đơn giản và có thể kiểm soát hình thái cũng như kích thước hạt của sản phẩm. Nó hiện là phương pháp chuẩn bị được sử dụng rộng rãi nhất. Hiệu suất của các sản phẩm lithium sắt photphat được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa tương đối ổn định.
Phương pháp Sol-gel: đề cập đến việc đầu tiên trộn nguồn carbon và nguồn nhôm, sau đó thêm chúng vào dung môi hữu cơ để khuấy và tăng nhiệt độ cho đến khi đạt đến nhiệt độ xác định trước; sau đó dung dịch được lọc và rửa sạch, sấy khô, phân tán và nghiền ở nhiệt độ thấp để tạo thành nano sắt photphat. liti. Liti sắt photphat được tổng hợp bằng phương pháp này có hạt mịn, độ kết tinh cao và hiệu suất ổn định. Tuy nhiên, phương pháp sol-gel có chi phí cao, quy trình chuẩn bị phức tạp và các vấn đề nghiêm trọng về sự kết tụ sản phẩm.
Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng nguyên liệu lithium iron phosphate để sản xuất pin điện
Ưu điểm của vật liệu lithium sắt photphat: Vật liệu lithium sắt photphat có ưu điểm là công suất riêng lớn, tuổi thọ dài, nền điện áp thấp, độ an toàn cao và khả năng thích ứng môi trường mạnh mẽ. Chúng được coi là một trong những vật liệu làm cực âm của pin lithium-ion hứa hẹn nhất. . Ngoài ra, nó còn có đặc điểm là giá thấp và nguồn rộng.
Các vấn đề với vật liệu lithium sắt photphat: Các tinh thể axit photphoric dễ dàng được hình thành trong quá trình điều chế vật liệu lithium sắt photphat, làm giảm độ dẫn điện của nó; cấu trúc tinh thể của lithium sắt photphat thay đổi rất nhiều ở nhiệt độ cao và độ ổn định kém; nó dễ bị thay đổi âm lượng, dẫn đến suy giảm công suất; và Axit hữu cơ được tạo ra bởi các phản ứng điện phân cũng có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của pin.
Các biện pháp cải thiện hiệu suất của vật liệu lithium iron phosphate: Cải thiện diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt của vật liệu lithium iron phosphate là những biện pháp quan trọng để cải thiện hiệu suất điện hóa của vật liệu lithium iron phosphate. Nghiên cứu cho thấy rằng khi kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng tăng lên, hiệu suất điện hóa của vật liệu lithium sắt photphat cũng tăng lên. Ngoài ra, tối ưu hóa chất điện phân và chất kết dính cũng là một biện pháp quan trọng để cải thiện hiệu suất của pin lithium iron phosphate.
Nhu cầu thị trường lithium sắt photphat đang tăng nhanh
Xe sử dụng năng lượng mới tiếp tục bùng nổ
Ngành công nghiệp xe năng lượng mới toàn cầu đang bước vào một giai đoạn phát triển nhanh chóng mới, không chỉ tạo động lực mới mạnh mẽ cho tăng trưởng kinh tế của nhiều quốc gia mà còn giúp giảm phát thải khí nhà kính, đối phó với các thách thức biến đổi khí hậu và cải thiện môi trường sinh thái toàn cầu .
Bắt đầu từ năm 2021, lượng khí thải carbon dioxide trung bình của ô tô chở khách mới ở EU sẽ không cao hơn 95 gram mỗi km. Đến năm 2025 và 2030, chúng sẽ cần giảm tương ứng 15% và 37,5% trên cơ sở này.
Vào ngày 31 tháng 3, chính quyền Biden tại Hoa Kỳ thông báo sẽ phân bổ $174 tỷ USD để hỗ trợ phát triển ngành công nghiệp xe năng lượng mới, trong đó $100 tỷ USD sẽ được sử dụng trực tiếp để trợ cấp cho người tiêu dùng. Hội đồng Nhà nước Trung Quốc có kế hoạch đến năm 2025, doanh số bán xe sử dụng năng lượng mới sẽ chiếm khoảng 20% trong tổng doanh số bán ô tô mới. (Nguồn báo cáo: Future Think Tank)
Tương lai của thị trường lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn
Đánh giá về mức độ thương mại hóa công nghệ vào cuối năm 2020, pin lithium vẫn là công nghệ lưu trữ năng lượng mới trưởng thành nhất với tỷ lệ ứng dụng cao nhất (gần 90%).
“Ý kiến Hướng dẫn lưu trữ năng lượng mới” chỉ ra rằng từ 3,28GW vào cuối năm 2020 lên 30GW vào năm 2025, trong 5 năm tới (2020 ~ 2025), quy mô thị trường lưu trữ năng lượng mới của nước tôi sẽ mở rộng gấp 10 lần so với mức hiện tại, với tốc độ tăng trưởng kép bình quân hàng năm trên 55%.
Theo dự đoán của CNESA, tốc độ tăng trưởng kép của bộ lưu trữ năng lượng điện hóa sẽ duy trì ở mức khoảng 57% trong các kịch bản thận trọng và sẽ vượt quá 70% trong các kịch bản lý tưởng, tức là tổng công suất lưu trữ năng lượng lắp đặt sẽ lần lượt đạt 35,5GW và 55,8GW vào năm 2025.
Với sự phát triển của các kịch bản sử dụng như sản xuất năng lượng mới và lưu trữ năng lượng cũng như lưu trữ năng lượng hộ gia đình, lợi thế về chi phí của lithium iron phosphate đã trở nên nổi bật hơn. Chi phí pin lithium sắt photphat giảm dự kiến sẽ mở ra một thị trường thay thế pin axit chì khổng lồ.
Tài nguyên phốt pho và sắt là không thể thiếu và chi phí tích hợp là vua
Lithium sắt photphat làm tăng nhu cầu về sắt photphat. Cung và cầu sắt photphat ngắn hạn được cân bằng chặt chẽ và nguồn cung dài hạn không ổn định. Theo thống kê từ Baichuan Yingfu, tính đến tháng 9 năm 2021, năng lực sản xuất phốt phát sắt của nước tôi là 356.000 tấn, tốc độ hoạt động của các doanh nghiệp tiếp tục tăng, cung cầu cân đối chặt chẽ. Giả sử rằng 80% nhu cầu lithium sắt photphat trong tương lai sẽ được hiện thực hóa thông qua quá trình xử lý sắt photphat, nhu cầu toàn cầu về lithium sắt photphat là 2,724 triệu tấn vào năm 2025 sẽ tương ứng với khoảng 2,09 triệu tấn nhu cầu sắt photphat. Theo kế hoạch năng lực sản xuất phốt phát sắt đến tháng 9 năm 2021 sẽ vượt 300 tấn. triệu tấn, chúng tôi kỳ vọng sẽ có đủ nguồn cung cấp sắt photphat trong dài hạn.
Nguồn sắt: Các công ty titan dioxide có lợi thế về nguồn sắt khi bước vào kinh doanh lithium iron phosphate
Các công ty titan dioxide có nguồn sắt không tốn chi phí và có tác dụng hiệp đồng. Sắt sunfat, sản phẩm phụ của doanh nghiệp sản xuất titan dioxide axit sulfuric, là nguồn cung cấp sắt trong nguyên liệu thô để sản xuất lithium sắt photphat. Việc sản xuất một tấn titan dioxide có thể tạo ra khoảng 3 tấn sắt sunfat. Rất khó để xử lý một lượng lớn chất thải rắn sắt sunfat. Việc xếp chồng và thải bỏ gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên. Sau khi xử lý trước, chất thải rắn sắt sunfat có thể được sử dụng để sản xuất sắt photphat cấp pin, sau đó sản xuất vật liệu pin lithium sắt photphat, giúp cải thiện việc sử dụng tài nguyên, giảm chi phí nguyên liệu thô trong sản xuất lithium sắt photphat và có tác dụng hiệp đồng đáng kể . Tính toán dựa trên giá nguyên liệu bình quân thị trường trong 21H1, nguồn cung sắt có thể tiết kiệm chi phí 1.676 nhân dân tệ/tấn so với doanh nghiệp gia công nguồn sắt. Khi quy trình sản xuất sắt sunfat để điều chế vật liệu pin lithium sắt photphat dần được mở ra, nó đã mang lại cơ hội cho toàn bộ ngành công nghiệp titan dioxide. Một số công ty đã lấy đi sản phẩm sắt sunfat tinh khiết, trong khi các công ty khác tận dụng lợi thế về tài nguyên để nắm bắt cơ hội thâm nhập pin năng lượng mới. lĩnh vực vật liệu.
Nguồn phốt pho: Các công ty hóa chất phốt pho có lợi thế về chi phí khi tham gia vào ngành lithium iron phosphate
Các công ty cung cấp nguồn phốt pho có lợi thế lớn hơn về chi phí. Theo tính toán của giá thị trường trung bình trong 21H1, nếu mua axit photphoric có độ tinh khiết cao 85% làm nguồn phốt pho thì chi phí nguồn phốt pho của một tấn lithium sắt photphat là khoảng 4.124 nhân dân tệ. Đối với các doanh nghiệp khai thác đá phốt phát sử dụng công nghệ lọc ướt để tự sản xuất axit photphoric, chi phí mỗi tấn là Chi phí nguồn phốt pho cho mỗi tấn lithium sắt photphat là khoảng 1.989 nhân dân tệ/tấn. Các công ty sản xuất photphat sắt lithium tự cung cấp nguồn phốt pho có lợi thế về chi phí khoảng 2.135 nhân dân tệ/tấn. So với các công ty titan dioxide cung cấp nguồn sắt, họ có lợi thế hơn về chi phí.
Lithium sắt photphat đã làm tăng đáng kể giá trị gia tăng của nguồn tài nguyên phốt pho. Trong lĩnh vực phân bón nông nghiệp truyền thống, một tấn phân bón nông nghiệp monoammonium phosphate cần khoảng 1,75 tấn đá phốt phát, và một tấn đá phốt phát có thể tạo ra lợi nhuận khoảng 172 nhân dân tệ. Đơn vị tiêu thụ quặng lithium sắt photphat là khoảng 2,26 tấn. Theo giá thị trường trung bình 21H1, lợi nhuận ngành của một tấn lithium sắt photphat là khoảng 4.439 nhân dân tệ, do đó, một tấn quặng photphat tương ứng với tỷ suất lợi nhuận là 1.964 nhân dân tệ. Lithium sắt photphat có giá trị gia tăng cao và có thể mang lại thu nhập gấp 10 lần phân bón nông nghiệp, mở ra cơ hội cải thiện định giá cho các công ty hóa chất phốt pho.
Các công ty hóa chất phốt pho có nguồn tài nguyên phốt pho và tích lũy công nghệ. Axit photphoric có độ tinh khiết cao dùng cho pin hoặc monoamoni photphat cấp công nghiệp là nguyên liệu nguồn phốt pho quan trọng trong sản xuất lithium sắt photphat. Các công ty hóa chất phốt pho truyền thống có lợi thế về tài nguyên phốt pho; Trước mắt, các công ty có năng lực sản xuất amoni photphat/amoni photphat cấp công nghiệp có độ tinh khiết cao sẽ có sắt photphat Nguồn photpho trực tiếp từ lithium, làm chủ được tài nguyên và lợi thế công nghệ.
