鋰二硫化鐵電池是什么電池？和普通電池有什么區(qū)別嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-16 21:12
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最近在新聞上看到第三代鋰鐵電池出現(xiàn)，不太懂鋰鐵電池是什么電池？和普通電池有什么區(qū)別嗎？具體有什么特別的性能呢？鋰離子電池按照正極材料分鈷酸鋰（主要用在手機(jī)電池）、三元（現(xiàn)在電動(dòng)車(chē)用的最多，充電寶等低端的消費(fèi)產(chǎn)品）、磷酸鐵鋰（電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能）、錳酸鋰（一些低成本的、快充的），使用的負(fù)極材料一般為石墨。按照負(fù)極劃分的話就是石墨負(fù)極，鈦酸鋰負(fù)極（比如珠海銀隆，主要用在快充、倍放，但能量密度太低，日本還用在儲(chǔ)能）、硅碳負(fù)極（暫時(shí)應(yīng)用的比較少）。說(shuō)的鐵電池就是用磷酸鐵鋰作為正極的電池，還有銀隆的鈦電池，就是負(fù)極用鈦酸鋰...
這個(gè)平坦的平臺(tái)有什么作用呢？一般來(lái)說(shuō)，在這個(gè)平臺(tái)期內(nèi)，電池的放電電壓基本是穩(wěn)定的，這個(gè)時(shí)候它可以為電子器件供能，當(dāng)電壓大幅度波動(dòng)之時(shí)，很明顯電子器件是受不了的。作為對(duì)比，我們可以看看用鈷酸鋰做正極材料的鋰離子電池的充放電圖，如下：
Figure 2. Initial charge/discharge curves of Li/pristine Formula and NAF4-coated Formula at 0.2C rate between 3.0 and 4.5 V.
鈷酸鋰就是我們常見(jiàn)的數(shù)碼產(chǎn)品電池所用的正極材料，由上圖可以看到，磷酸鐵鋰和鈷酸鋰兩種材料在放電平臺(tái)上有明顯差異。
而在結(jié)構(gòu)上呢？磷酸鐵鋰是橄欖樹(shù)結(jié)構(gòu)，如下圖：
Figure 3. Crystal of LiFePO4
其他正極材料，一般為層狀結(jié)構(gòu)，如上面所說(shuō)的鈷酸鋰，還有現(xiàn)在很流行的三元材料，當(dāng)然，還有的材料是尖晶石型結(jié)構(gòu)，就是LiMn2O4了。
在放電容量上，磷酸鐵鋰的理論比容量是170 mAh/g，作為對(duì)比，有下表：
注意表中的實(shí)際比容量一欄，在實(shí)際比容量上，磷酸鐵鋰相對(duì)于其他材料，差別不大，甚至還大于某些材料。
說(shuō)到這里，其實(shí)總結(jié)起來(lái)，磷酸鐵鋰正極材料就是有一個(gè)很平的放電平臺(tái)，外加一個(gè)還算普通的放電容量。其實(shí)，相較于其他材料，磷酸鐵鋰還有一個(gè)重要的特點(diǎn)：安全性能好。所以，目前比亞迪的電動(dòng)汽車(chē)采用了磷酸鐵鋰電池，而不是國(guó)外流行的三元電池。
磷酸鐵鋰是1997年J.B.Goodenough提出的一種鋰離子電池正極材料，為橄欖石結(jié)構(gòu)材料。由于它的充放電曲線非常平坦，也就是有一個(gè)非常平坦的平臺(tái)，因而得到了研究人員的廣泛注意。
Figure 1. Room temperature (23°C) charge/discharge profiles of LiFePO4LiFePO4 sintered at 550°C.這個(gè)平坦的平臺(tái)有什么作用呢？一般來(lái)說(shuō)，在這個(gè)平臺(tái)期內(nèi)，電池的放電電壓基本是穩(wěn)定的，這個(gè)時(shí)候它可以為電子器件供能，當(dāng)電壓大幅度波動(dòng)之時(shí)，很明顯電子器件是受不了的。作為對(duì)比，我們可以看看用鈷酸鋰做正極材料的鋰離子電池的充放電圖，如下：
Figure 2. Initial charge/discharge curves of Li/pristine Formula and NAF4-coated Formula at 0.2C rate between 3.0 and 4.5 V.
鈷酸鋰就是我們常見(jiàn)的數(shù)碼產(chǎn)品電池所用的正極材料，由上圖可以看到，磷酸鐵鋰和鈷酸鋰兩種材料在放電平臺(tái)上有明顯差異。
而在結(jié)構(gòu)上呢？磷酸鐵鋰是橄欖樹(shù)結(jié)構(gòu)，如下圖：
其他正極材料，一般為層狀結(jié)構(gòu)，如上面所說(shuō)的鈷酸鋰，還有現(xiàn)在很流行的三元材料，當(dāng)然，還有的材料是尖晶石型結(jié)構(gòu)，就是LiMn2O4了。
在放電容量上，磷酸鐵鋰的理論比容量是170 mAh/g，作為對(duì)比，有下表：
注意表中的實(shí)際比容量一欄，在實(shí)際比容量上，磷酸鐵鋰相對(duì)于其他材料，差別不大，甚至還大于某些材料。
說(shuō)到這里，其實(shí)總結(jié)起來(lái)，磷酸鐵鋰正極材料就是有一個(gè)很平的放電平臺(tái)，外加一個(gè)還算普通的放電容量。其實(shí)，相較于其他材料，磷酸鐵鋰還有一個(gè)重要的特點(diǎn)：安全性能好。所以，目前比亞迪的電動(dòng)汽車(chē)采用了磷酸鐵鋰電池，而不是國(guó)外流行的三元電池。
一、碳性電池
碳性電池，學(xué)名是中性鋅-二氧化錳干電池（zinc-manganese dry battery），最簡(jiǎn)單的識(shí)別方法：電池皮上型號(hào)為R6+后綴（五號(hào)）/R03+后綴（七號(hào)），就是此類(lèi)電池，后綴S表示普通，P表示高功率，C表示高容量等等。碳性電池放電功率很低，放電容量也很拙計(jì)，所以只適合用于低耗電電器，如鐘表、遙控器等。 另外，碳性電池的負(fù)極就是電池外殼，放電完畢后常常由于外殼破裂而發(fā)生電解液泄露，損壞用電設(shè)備。最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)錢(qián)便宜，市面上單價(jià)常常低于一元，甚至有低于5角的（當(dāng)然質(zhì)量就呵呵了）。
二、堿性電池
堿性電池亦稱(chēng)為堿性干電池、堿性鋅錳電池、堿錳電池，是目前商品化的鋅錳干電池系列中性能最好的品種。堿性電池的型號(hào)是LR6（五號(hào)）/LR03（七號(hào)），前綴L代表堿性（a”L”kaline）。當(dāng)然可能在數(shù)字后面還有后綴，但是不常見(jiàn)。堿性電池采用電解二氧化錳制作環(huán)形正極，鋅粉和添加劑配置的鋅膏作為負(fù)極。由于電解液導(dǎo)電性強(qiáng)，正負(fù)極材料表面積大大優(yōu)于碳性電池，以及強(qiáng)堿性條件下對(duì)鋅-錳體系電化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用，使堿性電池的輸出功率和容量都遠(yuǎn)勝于碳性電池。堿性電池相比于碳性電池更適合于較大功率的用電器，不過(guò)隨著數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，很多用電器堪稱(chēng)電老虎，比如高亮度LED手電筒、閃光燈等。這些用電器電流動(dòng)輒就上1500mA的，一般堿性電池恐怕也難堪大任。
碳性和堿性電池的漏液?jiǎn)栴}一直是消費(fèi)者頭疼的問(wèn)題。碳性電池自不必說(shuō)，用放電過(guò)程不斷消耗的負(fù)極鋅兼做外殼，就決定了放電后期外殼很可能破裂漏液，畢竟反應(yīng)嘛，不一定那么均勻的發(fā)生。
雖然堿性電池采用了密封的電池結(jié)構(gòu)，但是堿液有個(gè)特點(diǎn)，叫做浸潤(rùn)性，對(duì)金屬表面吸附能力特強(qiáng)。這造成所謂爬堿現(xiàn)象，也就是我們常說(shuō)的的電池漏液現(xiàn)象，漏液并不可怕，主要是腐蝕到昂貴的用電器。此外，堿性電池過(guò)度放電下負(fù)極產(chǎn)生氫氣，電池內(nèi)壓升高，為了避免電池爆炸，位于負(fù)極泄壓閥會(huì)打開(kāi)，排氣同時(shí)當(dāng)然也就漏液了。電池漏液是件喜聞樂(lè)見(jiàn)又無(wú)比蛋疼的事。輕則腐蝕電極影響接觸，重則腐蝕電路板昂貴用電器報(bào)廢。所以，一直以來(lái)，電池的一個(gè)重要的改進(jìn)目標(biāo)就是沒(méi)有漏液。
常見(jiàn)的有南孚、金霸王、超霸等
三、新一代干電池：鋰鐵電池
鋰鐵干電池，全稱(chēng)鋰-二硫化鐵干電池。由于這種電池采用了全新的內(nèi)部材料，具備多種特性，常常被業(yè)界稱(chēng)為第三代干電池。相較于1949年就有的堿性電池而言，鋰鐵電池的出現(xiàn)確實(shí)十分新穎。正極二硫化鐵在放電中發(fā)生的反應(yīng)可逆性較窄，因此這種特殊電池用于開(kāi)發(fā)成為充電電池并不適當(dāng)，而搭配使用不利于充電但容量較高的鋰金屬作為負(fù)極，便可提高可用容量。這使得這種電池十分適用于一次性電池應(yīng)用，是碳性電池和堿性電池后的最佳替代方案。由于鋰和水會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)的緣故，鋰鐵電池電解液采用的是含鋰鹽的有機(jī)溶劑而非水溶液，相對(duì)于碳性電池和堿性電池而言，這種新型的鋰鐵電池就從材料上杜絕了漏液的風(fēng)險(xiǎn)。同尺寸鋰－二硫化鐵電池的重量只有堿性電池一半，而放電總能量卻比堿性電池高出25%以上。具有明顯放電電壓平臺(tái)（大約1.45V），因此相比堿性電池而言鋰鐵電池放電電壓更穩(wěn)定。放電功率顯著高于堿性電池。特別適合在重負(fù)載場(chǎng)合使用，如閃光燈、電動(dòng)工具、電動(dòng)牙刷、成人玩具、兒童玩具的使用中。同時(shí)相比于堿性電池，其漏液率和自放電都更低，因此用于低功率的用電器同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是制約其普及的最大因素是制作成本較高，電池單價(jià)可高出堿性電池100%以上。
鋰鐵電池除了在內(nèi)部材料上跟碳性、堿性電池有著本質(zhì)區(qū)別，在生產(chǎn)工藝上也完全不同，耐時(shí)鋰鐵電池的內(nèi)部也是卷繞式的結(jié)構(gòu)。
常見(jiàn)的有耐時(shí)鋰鐵電池
這三類(lèi)電池，可謂各有優(yōu)勢(shì)，較第一代碳性和第二代堿性電池而言，第三代鋰鐵電池優(yōu)勢(shì)更為明顯。其中最為突出的性能優(yōu)勢(shì)：能夠完全兼容1.5V用電平臺(tái)設(shè)備；特別適用于大電流放電；電量充足，其實(shí)際放電容量超過(guò)市面上在售的所有民用一次電池；溫度范圍比其他一次電池寬廣得多，低溫性能優(yōu)異，可用在-40℃至60℃環(huán)境下；體積小、重量輕、防漏液；自放電低，可貯存長(zhǎng)達(dá)10年；不含對(duì)環(huán)境有害的材料，無(wú)汞無(wú)鉻從原材料上實(shí)現(xiàn)真正的零污染。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，鋰鐵電池常常被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為繼碳性電池、堿性電池后的第三代一次電池，是目前一次性電池最理想的替代方案，更成為眾多國(guó)家地震和戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急包里的必備品。
