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磷酸鐵鋰動力鋰電池特性及應用

鉅大LARGE  |  點擊量:791次  |  2020年05月29日  

鋰離子電池問世以來,圍繞它的研究、開發工作一直不斷地進行著,上世紀90年代末又開發出鋰聚合物電池,2002年后則推出磷酸鐵鋰動力鋰電池


鋰離子電池內部重要由正極、負極、電解質及隔膜組成。正、負極及電解質材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能,并且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料重要是氧化鈷鋰(LiCoO2),另外還有少數采用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池,一般將后兩種正極材料的鋰離子電池稱為鋰錳電池及鋰鎳電池。新開發的磷酸鐵鋰動力鋰電池是用磷酸鐵鋰(LiFepO4)材料作電池正極的鋰離子電池,它是鋰離子電池家族的新成員。


一般鋰離子電池的電解質是液體的,后來開發出固態及凝膠型聚合物電解質,則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池,其性能優于液體電解質的鋰離子電池。


磷酸鐵鋰離子電池的全名應是磷酸鐵鋰鋰離子電池,這名字太長,簡稱為磷酸鐵鋰離子電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應用,則在名稱中加入動力兩字,即磷酸鐵鋰動力鋰電池。也有人把它稱為鋰鐵(LiFe)動力鋰電池。


采用LiFepO4材料作正極的意義


目前用作鋰離子電池的正極材料重要有: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,并且存儲量不多,鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,采用LiFepO4正極材料做成的鋰離子電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。


作為可充電電池的要求是:容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。采用LiFepO4作正極的磷酸鐵鋰離子電池在這些性能要求上都不錯,特別在大放電率放電(5~10C放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力鋰電池。


LiFepO4電池的結構與工作原理


LiFepO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的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)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。


圖1LiFepO4電池內部結構


LiFepO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子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來回遷移而命名的。


LiFepO4電池重要性能


LiFepO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產廠家采用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同,其性能上會有些差異。例如同一種型號(同一種封裝的標準電池),其電池的容量有較大差別(10%~20%)。


磷酸鐵鋰動力鋰電池重要性能列于表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,不同廠生產的磷酸鐵鋰動力鋰電池在各項性能參數上會有一些差別;另外,有一些電池性能未列入,如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。


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