什么是磷酸鐵鋰電池?它的工作原理是什么?磷酸鐵鋰電池其實(shí)是一種鋰離子電池的正極材料,，所以人們才會(huì)以它的正極材料為其命名為磷酸鐵鋰電池,。關(guān)于磷酸鐵鋰電池的詳解磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長(zhǎng),，簡(jiǎn)稱(chēng)為磷酸鐵鋰電池,。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用,，則在名稱(chēng)中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池,。也有人把它稱(chēng)為“鋰鐵(LiFe)動(dòng)力電池,。
工作原理
磷酸鐵鋰電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰,、錳酸鋰、鎳酸鋰,、三元材料,、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料,。
意義
金屬交易市場(chǎng),，鈷(Co)最貴，并且存儲(chǔ)量不多,，鎳(Ni),、錳(Mn)較便宜，而鐵(Fe)存儲(chǔ)量較多,。正極材料的價(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致,。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是挺便宜的,。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境環(huán)保無(wú)污染,。
作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高,、良好的充放電循環(huán)性能,、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電,、電化學(xué)穩(wěn)定性能,、使用中安全(不會(huì)因過(guò)充電、過(guò)放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸),、工作溫度范圍寬,、無(wú)毒或少毒、對(duì)環(huán)境無(wú)污染,。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯(cuò),，特別在大放電率放電(5～10C放電)、放電電壓平穩(wěn)上,、安全上(不燃燒,、不爆炸)、壽命上(循環(huán)次數(shù)),、對(duì)環(huán)境無(wú)污染上,，它是最好的,，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池。
結(jié)構(gòu)與工作原理
LiFePO4作為電池的正極,，由鋁箔與電池正極連接,，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開(kāi),，但鋰離子Li可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò),，右邊是由碳(石墨)組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接,。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì),，電池由金屬外殼密閉封裝。LiFePO4電池在充電時(shí),，正極中的鋰離子Li通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過(guò)程中,，負(fù)極中的鋰離子Li通過(guò)隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的,。
主要性能
LiFePO4電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是3.2V,、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V,。由于各個(gè)生產(chǎn)廠家采用的正,、負(fù)極材料,、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同,，其性能上會(huì)有些差異。例如同一種型號(hào)(同一種封裝的標(biāo)準(zhǔn)電池),，其電池的容量有較大差別(10%～20%),。
這里要說(shuō)明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會(huì)有一些差別;另外,，有一些電池性能未列入,，如電池內(nèi)阻、自放電率,、充放電溫度等,。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的容量有較大差別，可以分成三類(lèi)：小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時(shí),、中型的幾十毫安時(shí),、大型的幾百毫安時(shí)。不同類(lèi)型電池的同類(lèi)參數(shù)也有一些差異,。
過(guò)放電到零電壓試驗(yàn)：
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池做過(guò)放電到零電壓試驗(yàn),。試驗(yàn)條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿(mǎn)，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C,。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天,，另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿(mǎn),，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別,。
試驗(yàn)的結(jié)果是,，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好,，容量為100%;存放30天后,，無(wú)泄漏、性能良好,，容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán),，容量又恢復(fù)到100%。這試驗(yàn)說(shuō)明該磷酸鐵鋰電池即使出現(xiàn)過(guò)放電(甚至到0V),，并存放一定時(shí)間,，電池也不泄漏、損壞,。這是其他種類(lèi)鋰離子電池不具有的特性,。
優(yōu)勢(shì)
1、安全性能的改善
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固,，難以分解,，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性,。有報(bào)告指出,，實(shí)際操作中針刺或短路實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件,，而過(guò)充實(shí)驗(yàn)中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電,，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此,，其過(guò)充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池,，已大有改善。
2,、壽命的改善
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,。
長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次,，而磷酸鐵鋰動(dòng)力電池,，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時(shí)率)使用,，可達(dá)到2000次,。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年,、維護(hù)維護(hù)又半年”,，最多也就1~1.5年時(shí)間,，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達(dá)到7~8年,。綜合考慮,，性能價(jià)格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電,，在專(zhuān)用充電器下,，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿(mǎn)，起動(dòng)電流可達(dá)2C,，而鉛酸電池?zé)o此性能,。
3、高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右,。工作溫度范圍寬廣(-20C--75C),，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
4,、大容量
∩充電池在經(jīng)常處于充滿(mǎn)不放完的條件下工作,，容量會(huì)迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng),。像鎳氫,、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象,，電池?zé)o論處于什么狀態(tài),，可隨充隨用，無(wú)須先放完再充電,。
5,、重量輕
同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3,，重量是鉛酸電池的1/3,。
6、環(huán)保
磷酸鐵鋰電池一般被認(rèn)為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),，無(wú)毒(SGS認(rèn)證通過(guò)),，無(wú)污染，符合歐洲RoHS規(guī)定,，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池證,。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)?？剂?，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目,。隨著中國(guó)加入WTO,，中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)的出口量將迅速增大,，而進(jìn)入歐美的電動(dòng)自行車(chē)已要求配備無(wú)污染電池。
但有專(zhuān)家表示,，鉛酸電池造成的環(huán)境污染,，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過(guò)程和回收處理環(huán)節(jié)。同理,，鋰電池屬于新能源行業(yè)不錯(cuò),，但它也不能避免重金屬污染的問(wèn)題。金屬材料加工中有鉛,、砷,、鎘、汞,、鉻等都有可能會(huì)釋放到灰塵和水中,。電池本身就是一種化學(xué)物質(zhì)，所以有可能會(huì)產(chǎn)生兩種污染：一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染;二是報(bào)廢以后的電池污染,。
磷酸鐵鋰電池也有其缺點(diǎn)：例如低溫性能差,，正極材料振實(shí)密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池,，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì),。而用于動(dòng)力電池時(shí)，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣,，需要面對(duì)電池一致性問(wèn)題,。
缺點(diǎn)
一種材料是否具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ岁P(guān)注其優(yōu)點(diǎn)外,，更為關(guān)鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷,。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料，從政府,、科研機(jī)構(gòu),、企業(yè)甚至是證券公司等市場(chǎng)分析員都看好這一材料，將其作為動(dòng)力型鋰離子電池的發(fā)展方向,。分析其原因,，主要有下列兩點(diǎn)：首先是受到美國(guó)研發(fā)方向的影響，美國(guó)Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料,。其次是國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有制備出可供動(dòng)力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能的錳酸鋰材料,。但磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
1,、在磷酸鐵鋰制備時(shí)的燒結(jié)過(guò)程中,，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì),。這也是日本一直不將該材料作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的主要原因,。
2、磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷,，如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低,，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差,，即使將其納米化和碳包覆也沒(méi)有解決這一問(wèn)題,。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能系統(tǒng)中心主任DonHillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時(shí)候，他用terrible來(lái)形容,，他們對(duì)磷酸鐵鋰型鋰離子電池測(cè)試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無(wú)法使電動(dòng)汽車(chē)行駛,。盡管也有廠家宣稱(chēng)磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯(cuò)，但是那是在放電電流較小和放電截止電壓很低的情況下,。在這種狀況下,，設(shè)備根本就無(wú)法啟動(dòng)工作。
3,、材料的制備成本與電池的制造成本較高,，電池成品率低，一致性差,。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)性能,，但是也帶來(lái)了其它問(wèn)題，如能量密度的降低,、合成成本的提高,、電極加工性能不良以及對(duì)環(huán)境要求苛刻等問(wèn)題。盡管磷酸鐵鋰中的化學(xué)元素Li,、Fe與P很豐富,，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵鋰產(chǎn)品成本并不低,，即使去掉前期的研發(fā)成本,，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會(huì)使得最終單位儲(chǔ)能電量的成本較高,。
4,、產(chǎn)品一致性差。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問(wèn)題,。從材料制備角度來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng),，有固相磷酸鹽,、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅(qū)體以及還原性氣相,。在這一復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程中,，很難保證反應(yīng)的一致性,。
5、知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題,。目前磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專(zhuān)利被美國(guó)德州大學(xué)所有,，而碳包覆專(zhuān)利被加拿大人所申請(qǐng)。這兩個(gè)基礎(chǔ)性專(zhuān)利是無(wú)法繞過(guò)去的,，如果成本中計(jì)算上專(zhuān)利使用費(fèi)的話,，那產(chǎn)品成本將會(huì)進(jìn)一步提高。
此外,，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國(guó)家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場(chǎng),。而美國(guó)盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先,，但是到目前為止還沒(méi)有一家大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)。因此,，日本選擇改性錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料更有其道理,。即使是在美國(guó)，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半,，聯(lián)邦政府也是同時(shí)支持這兩種體系的研發(fā),。
鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問(wèn)題，很難作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車(chē)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,。如果能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能差的難題,，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力型鋰離子電池中的應(yīng)用將有巨大的潛力,。以上就是磷酸鐵鋰電池工作原理解析,，希望能給大家?guī)椭?/p>