磷酸亚铁锂:电池的绿色选择

在过去二十年里,基于锂离子 (Li-ion) 化学物质的电池已经成为从智能手机到电动汽车等众多可充电应用的首选。但并非所有锂离子电池都是一样的。说到环保、绿色解决方案,磷酸铁锂 (LFP) 电池显然是赢家。

为什么选择锂离子电池,而不是镍金属氢化物 (NiMH) 或历史悠久的铅酸电池?锂的原子序数为 3,是最轻的金属。它具有最大的电化学电势和最大的单位重量比能量——这两者对电池来说都是巨大的优势。遗憾的是,金属锂也是不稳定的、易燃的,并且当暴露于空气或水中时可能会爆炸。因此,研究人员多年来一直专注于研究基于更稳定的锂化合物的电池。

可充电锂离子电池单元的主要组成部分包括正极(阴极)、负极(阳极)和电解液。阴极由插层的锂化合物组成,即具有层状结构,允许在充电或放电过程中可逆地嵌入或插入锂离子。有多种具有不同特性的常见阴极化合物。阳极通常由石墨制成。

液体电解质由碳酸乙烯酯或碳酸二甲酯等有机溶剂中的锂盐组成。在工作过程中,锂离子在放电时从阳极移动到阴极,在充电时则以相反的方向移动。锂聚合物 (LiPo) 电池使用聚合物凝胶作为电解质。

锂离子电池的标称电池电压为 3.6 V,高于镍氢电池 (1.5 V) 和铅酸电池 (2.0 V)。因此,只需将较少的电池单元串联起来,就能为电动汽车牵引电机等应用产生高电压。

LFP – 地球的最佳选择

顾名思义,LFP 电池使用锂离子衍生化学物质,与其他类型的锂离子电池一样具有许多优点和缺点。所有锂离子电池在制造过程中都要消耗能量,并且需要开采锂和其他关键成分。然而,当涉及到地球的环保状况时,它们之间存在显著的差异。

常用的阴极,如锂镍锰钴氧化物 (“NMC”) 或锂钴氧化物 LiCoO2,需要镍和钴等材料,而这些材料供应有限且价格昂贵。围绕钴矿开采的人权问题依然存在,例如矿山安全和使用童工。与镍矿开采的相关环境问题包括温室气体排放、栖息地破坏以及空气、水和土壤污染。

LFP 电池使用磷酸铁锂 (LiFePO4) 作为阴极,阳极由石墨制成,带有金属背衬。LFP 阴极使用低成本、无毒的材料——铁和磷酸盐——这些材料储量丰富、成本低廉。

磷酸铁锂电池的绿色应用

锂离子电池的应用包括备用电源和不间断电源;智能手机、笔记本电脑等消费设备;电动汽车;以及能量储存。

在一些应用中,例如电动汽车,NMC 电池是首选,因为它们的能量密度更高,特定的尺寸大小可转化为更长的续航里程,这在电动汽车空间有限的环境中是一个关键要求。  

在储能领域,增长最快的需求是平衡绿色能源应用中的供需供应,如产生的电力碳排放量极低的风能或太阳能。

太阳能和风能的采用正在快速增长。根据绿色能源研究机构 BNEF 的数据,太阳能光伏组件的价格从 2010 年到 2019 年下降了 89%,到 2030 年应该会再下降 34%。结果是住宅和公用事业规模的太阳能装置大量增加。类似地,风能价格在过去十年下跌了 70%。但是风并不总是刮个不停,太阳也不总是阳光明媚,所以光伏和风能装置依靠储能系统来提供稳定的电力来源。

能量密度并不是储能系统设计人员最关心的问题。相反,他们关注其他因素,如长期电池退化,这取决于多种因素,包括温度、充电状态和负载情况。其他重要因素包括需要定期维护,因为许多太阳能和风能设施位于偏远地区,长期无人照管。

与铅酸电池或其他锂电池储能技术相比,LFP 电池具有多项优势。与铅酸电池相比,它们本质上是稳定的、不可燃的,并且没有释气、烟雾和泄漏问题。它们的寿命是铅酸电池的十倍,总拥有成本 (TCO) 更低。

火灾风险是另一个关键问题,尤其是在住宅光伏装置中。波音梦想飞机火灾等广为人知的事件以及电动车熔化的图像,提高了公众对热失控引起的锂离子电池火灾的认识。与 NMC 等其他锂离子电池的化学成分相比,LFP 热失控耐受性提高了 100°F 以上,从而使两种化学成分之间存在重大安全差异。与 LFP 相比,NMC 电池更容易着火。同样,在正常工作条件下,LFP 在不断循环时将保持更稳定的内部温度。因此,LFP 化学物质是住宅太阳能储能的理想选择。

易于回收

电池的处置或回收仍然是一个关键的环境问题。每年有超过 300 万吨的铅酸电池被丢弃。虽然有些得以安全回收,以收回铅和其他材料,但许多最终被填埋,特别是在发展中国家/地区,有毒物质会引起火灾和爆炸,并毒害几代人的食物和水供应。

用于能源储存和运输的锂电池寿命很长,这意味着许多这类电池仍在使用中,因此回收过程仍处于初级阶段。2019 年,在可供回收的 18 万公吨锂离子电池中,只有 50% 被回收,其余被丢弃。随着越来越多的锂离子电池达到使用寿命,回收将变得更加有效。

无论何种类型,锂离子电池都可以回收利用,以收回电极、接线和外壳中使用的材料。随着行业的成熟,回收电池将变得更加普及。由于电极由无毒材料制成,磷酸铁锂电池对环境的危害远小于铅酸电池或其他锂离子化学物质。

结论:LFP 是电池的绿色选择

制造任何类型的电池都需要能源和资源,但是磷酸铁锂电池在资源消耗和安全性方面比其他技术有若干优势。当用于风能和太阳能发电系统时,它们有很大的潜力,有助于减少碳排放。


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