Dengan penyesuaian berkelanjutan pada struktur energi global dan pesatnya perkembangan energi terbarukan,penyimpanan energiteknologi secara bertahap menjadi pendukung penting bagi transformasi energi dan mendorong pembangunan ekonomi masa depan.
Pengantar Teknologi Baterai Penyimpanan Energi
▲Konversi, penyimpanan dan pemanfaatan energi
▲Klasifikasi dan Penerapan Teknologi Penyimpanan Energi
▲Ikhtisar Baterai Penyimpanan Energi
▲Prinsip kerja dan komposisi baterai penyimpan energi
▲Indikator kinerja dan terminologi terkait baterai penyimpan energi
Energi adalah kekuatan fundamental yang menggerakkan dunia dan merupakan sumber daya inti yang menjadi sandaran masyarakat dalam pembangunan. Dari awal penggunaan api hingga listrik saat ini, pengembangan dan pemanfaatan energi telah mendorong kemajuan peradaban dan membentuk struktur sosial kita saat ini.
Dengan terus meningkatnya permintaan energi global dan pesatnya perkembangan energi terbarukan, teknologi baterai penyimpan energi telah muncul dan menjadi pilar penting dalam sektor energi. Baterai penyimpan energi dapat secara efektif menyimpan sumber energi yang terputus-putus seperti tenaga angin dan matahari dan melepaskannya selama periode permintaan puncak, sehingga memastikan stabilitas pasokan listrik. Teknologi ini tidak hanya mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil tradisional namun juga memberikan jaminan penting untuk mencapai sistem energi rendah-karbon dan berkelanjutan.
Perkembangan teknologi baterai penyimpan energi, dari baterai-asam timbal tradisional hingga baterai litium-ion modern, lalu hingga baterai-state dan baterai natrium-ion yang sedang berkembang, terus-menerus menerobos kemacetan teknologi. Dengan meningkatkan kepadatan energi, memperpanjang masa pakai, dan meningkatkan keselamatan, baterai penyimpan energi telah menunjukkan prospek penerapan yang luas di berbagai bidang seperti penyimpanan energi rumah, transportasi, dan regulasi jaringan listrik. Dapat dikatakan bahwa teknologi baterai penyimpan energi tidak hanya merupakan kunci transformasi struktur energi saat ini tetapi juga inti dari jaringan pintar dan sistem energi terdistribusi di masa depan.
Teknologi penyimpanan energi baterai-berbasis litium
▲Struktur dan prinsip kerja baterai litium-ion
▲Bahan katoda baterai litium-ion
▲Bahan anoda baterai litium-ion
▲Elektrolit baterai litium-ion
▲Desain dan pembuatan baterai litium-ion
Pada tahun 1970, MS Whittingham dari ExxonMobil menciptakan baterai lithium-ion pertama. Dia menggunakan titanium disulfida dan litium logam masing-masing sebagai elektroda positif dan negatif. Selama pengisian dan pengosongan, logam litium terus dikonsumsi dan dihasilkan di elektroda negatif, sementara titanium disulfida terus menerus menyisipkan dan mengekstrak ion litium di elektroda positif. Kedua proses ini dapat dibalik sepanjang masa pakai baterai, sehingga membentuk baterai lithium-ion sekunder dengan tegangan 2V. Pada tahun 1982, RR Agarwal dan JR Selman dari Illinois Institute of Technology menemukan bahwa ion litium memiliki sifat interkalasi menjadi grafit, sebuah proses yang cepat dan dapat dibalik...Sejak awal, baterai lithium-ion telah mengalami proses penelitian, pengembangan, dan evolusi. Dengan kinerjanya yang unggul dan nyaman, teknologi ini semakin merambah ke berbagai bidang, mulai dari produk 3C seperti ponsel dan tablet hingga sektor energi listrik seperti kendaraan listrik dan bidang penyimpanan energi berskala besar seperti fotovoltaik dan tenaga angin, yang berdampak signifikan pada kehidupan sosial.
Apa itu baterai?
▲ Riwayat Perkembangan Baterai
▲Pengenalan Baterai Lithium-ion
▲Fitur baterai litium-ion
▲Bahan utama dalam baterai litium-ion
Baterai adalah salah satu jenis sumber listrik. Sumber tenaga listrik secara umum dibedakan menjadi sumber tenaga fisik dan sumber tenaga kimia. Sumber daya fisik meliputi perangkat pembangkit listrik tenaga surya, perangkat pembangkit listrik termoelektrik, generator termal dan hidroelektrik, dll.; sedangkan sumber tenaga kimia mengacu pada perangkat pembangkit listrik yang dapat secara langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik, yaitu baterai kimia dalam pengertian umum, atau sekadar baterai.
Sistem baterai telah berevolusi melalui empat generasi: baterai-asam timbal, baterai-kadmium nikel, baterai-metal hidrida, dan baterai-ion litium. Performa baterai terus meningkat, dan pemahaman manusia tentang sistem baterai semakin mendalam. Saat ini, baterai litium-ion adalah sistem baterai isi ulang yang paling efisien dan hemat energi, yang mewakili penelitian dan teknologi baterai manusia tingkat tertinggi.
Sejarah Penelitian dan Pengembangan Bahan Lithium Iron Phosphate
▲ Sejarah perkembangan bahan litium besi fosfat
▲ Situasi paten litium besi fosfat
▲ Studi struktur dan kinerja bahan litium besi fosfat
Litium besi fosfat (LiFeP, LFP, juga dikenal sebagai litium besi fosfat atau litium besi fosfat) adalah bahan katoda yang digunakan dalam baterai litium-ion. Hal ini ditandai dengan tidak adanya unsur berharga seperti kobalt dan nikel, rendahnya harga bahan baku, serta melimpahnya sumber daya fosfor, litium, dan besi di kerak bumi yang mampu memenuhi permintaan pasar melebihi satu juta ton per tahun. Sebagai bahan katoda, litium besi fosfat memiliki tegangan pengoperasian sedang (3,2V), kapasitas spesifik tinggi (170mA·h/g), daya pelepasan tinggi, kemampuan pengisian cepat, masa pakai siklus panjang, dan stabilitas yang baik di bawah suhu tinggi dan lingkungan panas tinggi.
Peralatan produksi yang digunakan dalam pembuatan bahan litium besi fosfat
▲Persyaratan Peralatan Produksi:;Peralatan Pencampur;Peralatan Pengeringan;Peralatan Sintering,;Peralatan Penghancur; Peralatan Pemutaran; Generator Nitrogen; Peralatan Pengemasan.
Saat bahan katoda litium besi fosfat (LFP) digunakan dalam pembuatan baterai litium-ion, persyaratan kemurnian, fasa, dan pengotornya sangat ketat. Misalnya, ketika bilangan oksidasi besi divalen dalam LFP mencapai 1%, kapasitas spesifiknya dapat menurun lebih dari 30%. Hal ini karena besi trivalen yang baru dihasilkan melapisi permukaan LFP, membentuk lapisan reaktif yang mencegah reaksi internal lebih lanjut. Jika LFP telah teroksidasi, metode reduksi selanjutnya tidak dapat menghasilkan LFP karena ion litium dalam bahan mentah telah hilang.
Pembuatan bahan litium besi fosfat dengan metode besi oksalat
▲ Prinsip sintesis
▲ Bahan baku sintetis utama
▲ Proses sintesis
▲Kinerja bahan sintetis
Proses sintesis litium besi fosfat menggunakan bahan baku besi oksalat disebut metode besi oksalat (atau sederhananya metode besi). Saat ini, metode besi oksalat merupakan proses dan metode yang paling banyak digunakan di Tiongkok, dan lebih dari separuh produsen dalam negeri menggunakannya. Keuntungan utamanya adalah biaya bahan baku yang rendah, proses sederhana, dan kontrol rasio bahan yang mudah.
Pembuatan bahan litium besi fosfat dengan reduksi karbotermal
▲ Prinsip sintesis
▲ Bahan baku sintetis utama
▲ Proses sintesis
▲Kinerja bahan sintetis
Di antara produsen yang memproduksi bahan litium besi fosfat (LiFePO4), metode reduksi karbotermal saat ini merupakan teknologi kedua yang paling banyak digunakan setelah metode besi oksalat. Bahan baku utamanya adalah besi besi (Fe2PO4), termasuk besi fosfat (Fe2PO4) dan besi oksida (Fe2O3). Selama reaksi, karbon (C) dan karbon monoksida (C2O3) mereduksi besi besi (Fe2PO4) menjadi besi besi (Fe2+), yang kemudian memasuki kisi kristal, membentuk struktur kristal litium besi fosfat (LiFePO4).
Keuntungan metode reduksi karbotermal adalah oksidasi bahan mentah tidak perlu diperhatikan selama pemrosesan; berbagai metode pencampuran dapat digunakan untuk memproses bahan mentah untuk mencapai keadaan dispersi yang diinginkan. Hanya pada tahap suhu tinggi karbon mereduksi besi besi menjadi besi besi, membentuk litium besi fosfat, oleh karena itu dinamakan metode reduksi karbotermal. Metode reduksi karbotermal menghasilkan pengurangan satu-langkah, mengurangi keluaran gas, dan bermanfaat untuk meningkatkan hasil. Pada saat yang sama, proses sintesisnya sederhana dan mudah dikendalikan, menyebabkan semakin banyak perusahaan yang mengadopsi metode reduksi karbotermal.
Persiapan hidrotermal bahan litium besi fosfat
▲ Prinsip sintesis
▲ Bahan baku sintetis utama
▲ Proses sintesis
▲Kinerja bahan sintetis
Metode hidrotermal adalah metode yang relatif maju untuk menyiapkan bahan katoda litium besi fosfat. Proses utamanya menggunakan sistem hidrotermal superkritis, melarutkan besi sulfat, litium hidroksida, dan asam fosfat dalam air, memanaskan larutan hingga lebih dari 100 derajat dalam lingkungan tertutup untuk membentuk larutan berair-bersuhu tinggi,-tekanan tinggi. Reaksi berlangsung melalui difusi ion, menghasilkan partikel kristal litium besi fosfat. Bahan litium besi fosfat murni kemudian disaring, dikeringkan, dan dilapisi karbon-untuk membentuk komposit litium besi fosfat/karbon.
Metode pengujian dan analisis konvensional untuk bahan litium besi fosfat
▲ Analisis komposisi kimia dan metode pengujian bahan litium besi fosfat
▲ Metode pengujian sifat fisik untuk bahan litium besi fosfat
▲ Metode pengujian kinerja elektrokimia untuk bahan litium besi fosfat
▲Evaluasi Penerapan Praktis Bahan Litium Besi Fosfat
Untuk bahan lithium iron phosphate (LFP), pengujian adalah teknologi inti, bahkan lebih penting daripada kontrol proses sintesis. Tanpa data pengujian yang tepat dan akurat, kondisi proses yang stabil tidak dapat diperoleh, sehingga produk LFP yang memenuhi syarat dan memenuhi persyaratan penggunaan tidak dapat diproduksi. Pengujian bahan yang ketat sangat penting di seluruh proses produksi, mulai dari pengadaan bahan mentah dan sintesis hingga evaluasi produk jadi. Oleh karena itu, setiap unit yang meneliti dan memproduksi LFP harus memberikan penekanan besar pada pembangunan sistem pengujiannya. Penggunaan peralatan pengujian yang canggih, metode pengujian yang ketat, dan-personel pengujian yang terlatih merupakan syarat mendasar bagi perusahaan untuk mempertahankan posisinya di industri.
Analisis sifat karakteristik lain dari bahan litium besi fosfat
▲ Analisis kinerja elektrokimia bahan litium besi fosfat
▲ Analisis morfologi mikroskopis elektron bahan litium besi fosfat
▲ Energi permukaan bahan litium besi fosfat
▲Pengukuran kelarutan besi dalam bahan litium besi fosfat
▲ Karakteristik spektroskopi bahan litium besi fosfat
Dalam penerapan praktis material litium besi fosfat, selain pengujian kinerja rutin, juga perlu dilakukan pengukuran beberapa sifat spesifik untuk memberikan acuan dalam evaluasi kinerja material dan proses pembuatan baterai. Dengan kemajuan teknologi, beberapa parameter yang sebelumnya hanya dapat diukur menggunakan sel penuh kini dapat ditentukan dengan metode sederhana. Misalnya, kinerja siklus bahan litium besi fosfat, khususnya kinerja siklus karbon, kini dapat dievaluasi menggunakan sel koin yang dirancang khusus, sehingga sangat menyederhanakan proses pengukuran.
Teknologi pembuatan baterai menggunakan bahan lithium iron phosphate
▲ Spesifikasi desain sistem baterai lithium besi fosfat
▲ Teknologi persiapan bubur bahan litium besi fosfat
▲ Pelapisan bubur litium besi fosfat
▲ Penggulungan elektroda litium besi fosfat
▲ Transformasi dan Pembagian
▲Contoh lain pembuatan baterai
Untuk baterai litium-ion apa pun, desain awal adalah tugas utama. Pekerjaan desain melibatkan penentuan proses pembuatan baterai lithium-ion. Karena kinerja baterai terutama ditentukan oleh elektroda, desain elektroda merupakan aspek inti dari proses pembuatan baterai. Hal ini juga berlaku untuk baterai litium besi fosfat.
Area aplikasi utama baterai lithium besi fosfat
▲Aplikasi baterai litium besi fosfat pada perangkat transportasi listrik
▲Aplikasi baterai litium besi fosfat dalam catu daya penyimpanan energi
▲Aplikasi baterai litium besi fosfat pada perkakas listrik
▲Aplikasi baterai litium besi fosfat
Litium besi fosfat (LFP) adalah bahan katoda untuk baterai litium-ion, dan keunggulan terbesarnya adalah keamanannya yang tinggi. Bahan ini juga memiliki keunggulan yang tidak dimiliki bahan terner litium mangan oksida dan nikel-mangan-kobalt, seperti masa pakai siklus yang panjang, biaya bahan yang rendah, dan sumber bahan mentah yang melimpah. Baterai LFP memiliki voltase stabil, voltase pengoperasian sedang, kompatibilitas baik dengan sistem elektrolit, tidak-beracun, tidak memiliki efek memori, dan tidak mencemari lingkungan. Energi spesifiknya dapat mencapai 100–130 Wh/kg, yaitu 0,3–5 kali lipat baterai timbal-asam dan 1,5 kali lipat baterai nikel-metal hidrida. Mengingat banyaknya keunggulannya, baterai ini dianggap sebagai baterai yang ideal untuk kendaraan listrik, penyimpanan energi angin dan matahari, serta baterai cadangan yang aman untuk digunakan di rumah.
Outlook untuk Material Katoda Lainnya untuk Baterai Lithium-ion
▲ Bahan katoda litium vanadium fosfat -
▲ Bahan katoda litium mangan fosfat
▲ Bahan katoda besi silikat litium
▲ Bahan katoda besi borat litium
▲Lithium-bahan katoda berlapis kaya
Kemunculan material litium besi fosfat (LFP) meletakkan dasar ilmu material bagi penerapan luas baterai ion-litium-skala besar.
Seperti yang diketahui, keamanan baterai litium-ion selalu menjadi masalah inti dan kritis yang membatasi perkembangan industri. Bahkan di negara maju dengan sifat material yang stabil dan peralatan pemrosesan yang canggih, keamanan baterai litium-ion tidak dapat dijamin sepenuhnya. Mengingat tingkat pemrosesan baterai litium-ion yang saat ini relatif rendah di negara saya, LFP sangat-cocok dengan kondisi nasional di negara saya, sehingga meningkatkan keamanan baterai secara signifikan.