磷酸鐵鋰電池的缺點(diǎn)及改進(jìn)措施
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 17:20
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磷酸鐵鋰電池也有其缺點(diǎn)例如磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小等容量的磷酸鐵鋰
電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì)。
鋰離子動(dòng)力的電池的性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸鐵鋰作為鋰動(dòng)力電池材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國(guó)內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1C充放循環(huán)壽命達(dá)2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯(lián)使用。以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。本項(xiàng)目屬于高新技術(shù)項(xiàng)目中功能性能源材料的開發(fā)是國(guó)家“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃和“十一五”高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。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。但是導(dǎo)電性差目前已經(jīng)得到比較完美的解決就是添加C或其它導(dǎo)電劑。目前在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過在前驅(qū)體添加有機(jī)碳源和高價(jià)金屬離子聯(lián)合摻雜的辦法來改善材料的導(dǎo)電性A123、煙臺(tái)卓能正采用這種方法研究表明磷酸鐵鋰的電導(dǎo)率提高了7個(gè)數(shù)量級(jí)
使磷酸鐵鋰具備了和鈷酸鋰相近的電導(dǎo)特性。實(shí)驗(yàn)室報(bào)道當(dāng)0.1C充放電時(shí)可以達(dá)到
165mAh/g以上的比容量實(shí)際達(dá)到135-145mAh/g，基本接近鈷酸鋰的水平，但是鋰離子擴(kuò)
散速度慢的問題到目前仍然沒有得到較好的解決，目前采取的解決方案主要有納米化
LiFePO4晶粒，從而減少鋰離子在晶粒中的擴(kuò)散距離，再者就是摻雜改善鋰離子的擴(kuò)散通道后一種方法看起來效果并不明顯。納米化已經(jīng)有較多的研究，但是難以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，目前只有A123宣稱掌握了LiFePO4的納米化產(chǎn)業(yè)技術(shù)。
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)。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒有優(yōu)勢(shì)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(dòng)力電池方面不會(huì)突出。因此磷酸鐵鋰主要是用來制作動(dòng)力電池。
磷酸鐵鋰電池低溫性能差
盡管人們通過各種方法，例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能通過改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等改善磷酸鐵鋰的低溫性能，但是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(duì)于單只電芯注意是單只而非電池組，對(duì)于電池組而言，實(shí)測(cè)的低溫性能可能會(huì)略高，這與散熱條件有關(guān)而言，其0℃時(shí)的容量保持率約60、70-10℃時(shí)為40、55-20℃時(shí)為2040。
這樣的低溫性能顯然不能滿足動(dòng)力電源的使用要求。當(dāng)前一些廠家通過改進(jìn)電解液體系、改進(jìn)正極配方，改進(jìn)材料性能和改善電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等使磷酸鐵鋰的低溫性能有所提升但還未真正滿足需求。
電池存在一致性問題
單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命會(huì)大打折扣，有可能是500次。因?yàn)殡姵亟M是由大量單體電池串并而成，其工作狀態(tài)好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個(gè)人都是短跑健將，如果大家的動(dòng)作一致性不高隊(duì)伍就跑不快整體速度甚至比跑得最慢的單個(gè)選手的速度還要慢。
電池組同理只有在電池性能高度一致時(shí)壽命發(fā)揮才能接近單體電池的水平。
而在現(xiàn)有的條件下由于種種原因，制作出來的電池一致性不佳進(jìn)而影響到電池的使用性能和整體壽命，因此應(yīng)用在動(dòng)力汽車上存在一定障礙。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)
此外，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)來看，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國(guó)家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場(chǎng)。而美國(guó)盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先，但是到目前為止還沒有一家大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國(guó)，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半，聯(lián)邦政府也是同時(shí)支持這兩種體系的研發(fā)。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問題，很難作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。如果能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力型鋰離子電池中的應(yīng)用將有巨大的潛力。
電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì)。
鋰離子動(dòng)力的電池的性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸鐵鋰作為鋰動(dòng)力電池材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國(guó)內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環(huán)壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1C充放循環(huán)壽命達(dá)2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯(lián)使用。以滿足電動(dòng)車頻繁充放電的需要。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。本項(xiàng)目屬于高新技術(shù)項(xiàng)目中功能性能源材料的開發(fā)是國(guó)家“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃和“十一五”高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。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。但是導(dǎo)電性差目前已經(jīng)得到比較完美的解決就是添加C或其它導(dǎo)電劑。目前在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過在前驅(qū)體添加有機(jī)碳源和高價(jià)金屬離子聯(lián)合摻雜的辦法來改善材料的導(dǎo)電性A123、煙臺(tái)卓能正采用這種方法研究表明磷酸鐵鋰的電導(dǎo)率提高了7個(gè)數(shù)量級(jí)
使磷酸鐵鋰具備了和鈷酸鋰相近的電導(dǎo)特性。實(shí)驗(yàn)室報(bào)道當(dāng)0.1C充放電時(shí)可以達(dá)到
165mAh/g以上的比容量實(shí)際達(dá)到135-145mAh/g，基本接近鈷酸鋰的水平，但是鋰離子擴(kuò)
散速度慢的問題到目前仍然沒有得到較好的解決，目前采取的解決方案主要有納米化
LiFePO4晶粒，從而減少鋰離子在晶粒中的擴(kuò)散距離，再者就是摻雜改善鋰離子的擴(kuò)散通道后一種方法看起來效果并不明顯。納米化已經(jīng)有較多的研究，但是難以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，目前只有A123宣稱掌握了LiFePO4的納米化產(chǎn)業(yè)技術(shù)。
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)。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒有優(yōu)勢(shì)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(dòng)力電池方面不會(huì)突出。因此磷酸鐵鋰主要是用來制作動(dòng)力電池。
磷酸鐵鋰電池低溫性能差
盡管人們通過各種方法，例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能通過改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等改善磷酸鐵鋰的低溫性能，但是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(duì)于單只電芯注意是單只而非電池組，對(duì)于電池組而言，實(shí)測(cè)的低溫性能可能會(huì)略高，這與散熱條件有關(guān)而言，其0℃時(shí)的容量保持率約60、70-10℃時(shí)為40、55-20℃時(shí)為2040。
這樣的低溫性能顯然不能滿足動(dòng)力電源的使用要求。當(dāng)前一些廠家通過改進(jìn)電解液體系、改進(jìn)正極配方，改進(jìn)材料性能和改善電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等使磷酸鐵鋰的低溫性能有所提升但還未真正滿足需求。
電池存在一致性問題
單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命會(huì)大打折扣，有可能是500次。因?yàn)殡姵亟M是由大量單體電池串并而成，其工作狀態(tài)好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個(gè)人都是短跑健將，如果大家的動(dòng)作一致性不高隊(duì)伍就跑不快整體速度甚至比跑得最慢的單個(gè)選手的速度還要慢。
電池組同理只有在電池性能高度一致時(shí)壽命發(fā)揮才能接近單體電池的水平。
而在現(xiàn)有的條件下由于種種原因，制作出來的電池一致性不佳進(jìn)而影響到電池的使用性能和整體壽命，因此應(yīng)用在動(dòng)力汽車上存在一定障礙。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)
此外，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)來看，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國(guó)家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場(chǎng)。而美國(guó)盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先，但是到目前為止還沒有一家大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國(guó)，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半，聯(lián)邦政府也是同時(shí)支持這兩種體系的研發(fā)。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問題，很難作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。如果能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力型鋰離子電池中的應(yīng)用將有巨大的潛力。
