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磷酸鐵鋰電池詳細介紹

鉅大LARGE  |  點擊量:13211次  |  2018年12月26日  

磷酸鐵鋰電池全解


一、磷酸鐵鋰電池定義


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有很多種,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鋰離子電池使用的正極材料,而其它正極材料由于多種原因,目前在市場上還沒有大量生產。磷酸鐵鋰也是其中一種鋰離子電池。從材料的原理上講,磷酸鐵鋰也是一種嵌入/脫嵌過程,這一原理與鈷酸鋰,錳酸鋰完全相同。


磷酸鐵鋰由于具有安全性與循環壽命優勢、材料成本的誘惑,正在逐步進入鋰離子動力電池市場。


二、磷酸鐵鋰正極材料


1997年A.K.Padhi首次報導磷酸鐵鋰(LiFePO4)具有脫嵌鋰功能。該材料具有橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料,LiMPO4(M:Mn,Fe,Co,Ni),成為很有潛力的鋰離子電池正極材料。磷酸鐵鋰作為鋰離子電池用正極材料具有良好的電化學性能,充放電平臺十分平穩,充放電過程中結構穩定。同時,該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環境下使用、原材料來源廣泛等優點,是目前電池界競相開發研究的熱點。


該材料具有發上圖所示的晶體結構。


工作電壓范圍:2.5~3.6V,平臺約3.3V,比鈷酸鋰電池3.7V低一些。


由于該材料導電性差,需往磷酸鐵鋰顆粒內部摻入導電碳材料或導電金屬微粒,或者往磷酸鐵鋰顆粒表面包覆導電碳材料,提高材料的電子電導率;或摻雜金屬離子來提高導電性。這樣材料的密度低,做成電池的體積比容量低,只有180Wh/L(鈷酸鋰可做到400Wh/L以上),在小電池領域,同樣尺寸電池只有現有電池容量的一半不到。


三、磷酸鐵鋰電池及其優缺點


磷酸鐵鋰的優點:


1、安全。磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的。當然它和其它磷酸鹽的安全性能也基本一樣,用磷酸鐵鋰做電池,絕對不用擔心爆炸問題的存在。


2、穩定性高。包括高溫充電的容量穩定性好,儲存性能好等。這點是最大的優點,在所有知道的材料中,也是最好的。


3、環保。整個生產過程清潔無毒。所有原料都無毒。不像鈷是有毒的物質。


4、價格便宜。磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料,這些材料都十分便宜,無戰略資源及稀有資源。


磷酸鐵鋰的缺點:


1、導電性差。這個問題是其最關鍵的問題。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應用,這是一個主要的問題。但是,這個問題目前已經可以得到完美的解決:就是添加C或其它導電劑。實驗室報道可以達到160mAh/g以上的比容量。我們公司生產的磷酸鐵鋰材料在生產過程中已經添加了導電劑,不需要制作電池時添加。實際上材料應該為:LiFePO4/C,這樣一個復合材料。


2、振實密度較低。一般只能達到1.3-1.5,低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的最大缺點。這一缺點決定了它在小型電池如手機電池等沒有優勢。即使它的成本低,安全性能好,穩定性好,循環次數高,但如果體積太大,也只能小量的取代鈷酸鋰。這一缺點在動力電池方面不會突出。因此,磷酸鐵鋰主要是用來制作動力電池。


3、目前研究開發還不深入。目前以磷酸鐵鋰作為正極材料的產業化情況并不樂觀。因為還是最近兩年發展起來的,所以各方面的研究還需要繼續深入。


四、其它


在動力電池領域,由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價格,使其一直在動力電池門外徘徊,始終沒有完全進入動力電池領域。現在的情況是鈷酸鋰和錳酸鋰小批量配合使用,但是由于其固有的缺陷,使得其始終沒有大批量的進行商業化運作,產品只是在小批量試生產階段,目前大規模的商業化運作還有一些難以克服的困難。在動力電池領域磷酸基正極材料依其超長的循環壽命,極好的安全性能,較好的高溫性能,極其低廉的價格,而且低溫性能和倍率放電已經可以達到鈷酸鋰的水平等,使其成為最有希望的動力電池材料,其在未來的5年內可能會成鎳鎘電池的主要替代品,在未來的10年內會成為鉛酸電池的有力競爭者,在未來的20年內可能會取代鉛酸電池,成為主要的啟動電源、UPS電源和后備電源,成為二次電池的老大。


現在磷酸鐵鋰最主要的問題是容量偏低,制造成本偏高,在電池生產上加工困難(制漿,拉漿,輥軋等工序都需要特殊處理,很多企業不能很好的處理)倍率放電不穩定(需要特定的電池工藝配合,受工藝影響很大)而現在電器的使用趨勢是小巧型發展,所以對電池也有同樣的要求高體積能量密度.從容量上看磷酸鐵鋰沒有前途,在特定的電池領域使用較有優勢,如動力電池。


磷酸鐵鋰振實密度比較低,比表面積很大,需要改變電池先行工藝,而且電池極片的面密度低所以同樣型號的電池容量更低。


電解液也需重新開發適用的電解液體系,用現有的成熟電解液難發揮其性能。


另外,由于磷酸鐵鋰電池的工作電壓范圍在2.5~3.6V,平臺為3.3V左右,沒有批量配套的保護線路和充電器,較難在現有的電子設備上發揮出其特性,需要一個整體的行業整合。


產業化方面:


國外做得較早的為是美國Valence(威能)公司和A123(高博)公司,這兩家公司都在國內(江蘇)有材料生產企業生產磷酸鐵鋰正極材料,然后采用委托其它電池公司代工生產電池出口。


國內目前已經有很多公司在作測試,研究,小批量試產材料,北大先行,中輝振宇,山西力之源等比較活躍,湖南瑞祥與杉杉公司也在跟進。批量生產電池的企業尚不多,山東海霸能源集團公司宣傳較多,有產品上市。

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