磷酸鐵鋰電池工作原理與特點(diǎn)

磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡(jiǎn)稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動(dòng)力電池”。

1 意義

目前用作鋰離子電池的正極材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。這些組成電池正極材料的金屬元素中，鈷(Co)最貴，并且存儲(chǔ)量不多，鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜，而鐵(Fe)最便宜。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)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境無污染。

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)因過充電、過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、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染。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)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的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，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，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。

圖1 LiFePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來回遷移而命名的。

3 主要性能

LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是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%)。

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池主要性能列于表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這里要說明的是，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。

表1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池主要性能參數(shù)

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的容量有較大差別，可以分成三類：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)。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm(型號(hào)為18650)，其參數(shù)性能如表2所示。

表2 小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的參數(shù)

4 過放電到零電壓試驗(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，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，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)說明該電池 即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V)，并存放一定時(shí)間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

5 磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

通過上述介紹，LiFePO4電池可歸納下述特點(diǎn)。

高效率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10S)可達(dá)20C;

高溫時(shí)性能良好：外部溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好;

即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好;

極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%;

過放電到零伏也無損壞;

可快速充電;

低成本;

對(duì)環(huán)境無污染。

6 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用

由于磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有上述特點(diǎn)，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

大型電動(dòng)車輛：公交車、電動(dòng)汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動(dòng)力車等;

輕型電動(dòng)車：電動(dòng)自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動(dòng)輪椅等;

電動(dòng)工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等;

遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具;

太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備;

UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);

替代照相機(jī)中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池(尺寸完全相同);

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

這里舉一個(gè)用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實(shí)例。采用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數(shù)約100次，使用時(shí)間約1年。若采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，采用同樣的360Wh能量(12個(gè)10Ah電池串聯(lián)組成)，其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數(shù)可達(dá)1000次，使用壽命可達(dá)3～5年。雖然說磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的價(jià)格較鉛酸電池高得多，但總的經(jīng)濟(jì)效果還是采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池更好，并且在使用上更輕便。