一、磷酸鐵鋰

 

磷酸鐵鋰電極材料主要用于各種鋰離子電池，自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結(jié)構(gòu)的鋰電池正極材料之后, 1997年美國德克薩斯州立大學(xué)研究群也接著報(bào)導(dǎo)了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國與日本不約而同地發(fā)表橄欖石結(jié)構(gòu)(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視，并引起廣泛的研究和迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4和層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料來源更廣泛、價(jià)格更低廉且無環(huán)境污染。

 

二、磷酸鐵鋰電池原理和特點(diǎn)

 

電池一般包括：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正極引線、負(fù)極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、密封圈、PTC（正溫度控制端子）、電池殼等。其中正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)以及隔膜的不同或者工藝的不同，對電池的性能和價(jià)格有著決定性的影響。

 

通常所稱的鋰電池，是以各種含鋰材料為正極材料的電池，目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4），另外還有少數(shù)采用鎳酸鋰（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）材料作電池正極的鋰離子電池， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖一所示：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、鋁塑復(fù)合膜或塑料殼密閉封裝。

 

 

 

LiFePO4電池的工作原理是：電池充電時(shí)，正極材料中的鋰離子脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料中；電池放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極中脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜回到正極材料中。（注：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，所以鋰離子電池又稱“搖椅電池”）

 

2、磷酸鐵鋰電池的性能與特點(diǎn)

 

2.1 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢

 

一、超長壽命：長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池在室溫下1C充放電循環(huán)2000次，容量保持率80%以上；是鉛酸電池5倍，鎳氫電池的4倍，是鈷酸鋰電池4倍，是錳酸鋰電池4-5倍左右。

 

二、安全性高：磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵強(qiáng)，所以結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且不易釋放氧氣。磷酸鐵鋰電池在高溫下的穩(wěn)定性可達(dá)400以上，保證了電池內(nèi)在的高安全性；不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。

 

三、環(huán)保且不需要稀有金屬：磷酸鐵鋰電池不含任何（鋰之外）重金屬或者稀有金屬，無毒（SGS認(rèn)證通過），無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為環(huán)保電池。

 

四、充電速度快，自放電少，無記憶效應(yīng)：磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，2C充電30分鐘內(nèi)即可使電池充滿95%，起動電流可達(dá)2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。

 

五、體積小，重量輕：商品設(shè)計(jì)可輕量化，體積是相同容量鉛酸電池的2/3，也較鎳氫電池體積?。恢亓渴窍嗤萘裤U酸電池的1/3，鎳氫電池的2/3左右；

 

六、電池單體電壓高，放電平臺穩(wěn)定：為3.2V，串聯(lián)少，電池組可靠性高；電池組可靠性高，可作大電流高功率充放電高倍率放電特性：10C充放電效率達(dá)到 96%以上，容量保持率90%以上，可實(shí)現(xiàn)10C放電；

 

綜上可知，磷酸鐵鋰電池相對傳統(tǒng)電池和其它鋰電池，具有自身明顯的優(yōu)勢，表1和表2對其性能和傳統(tǒng)電池及鋰電池進(jìn)行比較

 

可見與傳統(tǒng)電池相比，磷酸鐵鋰電池只在價(jià)格方面處于一定劣勢，其他各項(xiàng)指標(biāo)明顯占據(jù)優(yōu)勢。但如果考慮電池壽命，磷酸鐵鋰電池的價(jià)格卻是最低的。

 

磷酸鐵鋰除了振實(shí)密度、克容量兩個(gè)指標(biāo)略有不足，其他各項(xiàng)指標(biāo)均占很大優(yōu)勢，尤其是在循環(huán)性能、環(huán)保性、安全性能、原料成本及應(yīng)用領(lǐng)域方面。

 

2.2 磷酸鐵鋰電池的劣勢

 

1、導(dǎo)電性差、鋰離子擴(kuò)散速度慢。高倍率充放電時(shí)，實(shí)際比容量低，這個(gè)問題是制約磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應(yīng)用，這是一個(gè)主要的問題。

 

2、振實(shí)密度較低。一般只能達(dá)到0.8-1.3，低的振實(shí)密度可以說是磷酸鐵鋰的很大缺點(diǎn)，這決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒有優(yōu)勢，所以其使用范圍受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取代鈷酸鋰。但這一缺點(diǎn)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、一致性問題嚴(yán)重。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但是制作出來的電池一致性不佳，進(jìn)而影響到電池組的使用性能和整體壽命，因此應(yīng)用在動力汽車上存在一定障礙。

 

4、磷酸鐵鋰電池低溫性能差。磷酸鐵鋰材料的固有特點(diǎn)，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。一般情況下，對于單只電芯，其0℃時(shí)的容量保持率約 60～70%，-10℃時(shí)為40～55%，-20℃時(shí)為20～40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動力電源的使用要求。

 

5、制造成本高。磷酸鐵鋰具有安全性、環(huán)保性、循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，但目前的制造成本相對鉛酸電池、錳酸鋰電池要高，其主要原因是：1）材料物理性能和其他鋰電材料相差較大，其粒度小，振實(shí)密度小，比表面積大，材料的加工性能不好，涂敷量低，導(dǎo)致電池成本增加；2）磷酸鐵鋰電池只有 3.2V，比其他的鋰電低20%左右，單體電池要多用20%，導(dǎo)致電池組成本上升較多。

 

隨著技術(shù)的發(fā)展，磷酸鐵鋰材料上的這些缺點(diǎn)正在逐步得到解決，其性價(jià)比也逐步得到提高，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，我們相信，磷酸鐵鋰電池技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展階段，正在帶動整個(gè)產(chǎn)業(yè)從市場的培育導(dǎo)入期進(jìn)入一個(gè)高速增長階段。