磷酸铁锂电池结构和工作原理.docVIP

PAGE PAGE 1 磷酸铁锂电池的结构和工作原理 一、磷酸铁锂 磷酸铁锂电极材料主要用于各种锂离子电池，自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A为碱金属，M为CoFe两者之组合:LiFeCOPO4)的橄榄石结构的锂电池正极材料之后, 1997年美国德克萨斯州立大学研究群也接着报导了LiFePO4的可逆性地迁入脱出锂的特性，美国与日本不约而同地发表橄榄石结构(LiMPO4), 使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的研究和迅速的发展。与传统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。 二、磷酸铁锂电池原理和特点 电池一般包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、PTC（正温度控制端子）、电池壳等。其中正极材料、负极材料、电解质以及隔膜的不同或者工艺的不同，对电池的性能和价格有着决定性的影响。 通常所称的锂电池，是以各种含锂材料为正极材料的电池，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4），另外还有少数采用镍酸锂（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）材料作电池正极的锂离子电池， 其内部结构如图一所示：左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳、铝塑复合膜或塑料壳密闭封装。 LiFePO4电池的工作原理是：电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。（注：锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称“摇椅电池”） 2、磷酸铁锂电池的性能与特点 2.1 磷酸铁锂电池的优势 一、超长寿命：长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池在室温下1C充放电循环2000次，容量保持率80%以上；是铅酸电池5倍，镍氢电池的4倍，是钴酸锂电池4倍，是锰酸锂电池4-5倍左右。 二、安全性高：磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气。磷酸铁锂电池在高温下的稳定性可达400以上，保证了电池内在的高安全性；不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。 三、环保且不需要稀有金属：磷酸铁锂电池不含任何（锂之外）重金属或者稀有金属，无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为环保电池。 四、充电速度快，自放电少，无记忆效应：磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，2C充电30分钟内即可使电池充满95%，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。 五、体积小，重量轻：商品设计可轻量化，体积是相同容量铅酸电池的2/3，也较镍氢电池体积小；重量是相同容量铅酸电池的1/3，镍氢电池的2/3左右； 六、电池单体电压高，放电平台稳定：为3.2V，串联少，电池组可靠性高；电池组可靠性高，可作大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C充放电效率达到 96%以上，容量保持率90%以上，可实现10C放电； 综上可知，磷酸铁锂电池相对传统电池和其它锂电池，具有自身明显的优势，表1和表2对其性能和传统电池及锂电池进行比较 可见与传统电池相比，磷酸铁锂电池只在价格方面处于一定劣势，其他各项指标明显占据优势。但如果考虑电池寿命，磷酸铁锂电池的价格却是最低的。 磷酸铁锂除了振实密度、克容量两个指标略有不足，其他各项指标均占很大优势，尤其是在循环性能、环保性、安全性能、原料成本及应用领域方面。 2.2 磷酸铁锂电池的劣势 1、导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。 2、振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点，这决定了它在小型电池如手机电池等没有优势，所以其使用范围受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。 3、一致性问题严重。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但是制作出来的