磷酸鐵鋰電池的主要特點(diǎn)是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-23 20:29
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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及電化學(xué)材料及工藝技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷地研究、開發(fā)出新型電池材料及新型電池。繼鎳鎘、鎳氫可充電電池之后，在1991年開發(fā)出可充電的鋰離子電池，1995年又推出性能更好的聚合物鋰電池，到2002年后，新型磷酸鐵鋰電池又問世。
目前市場上的鋰離子電池的正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采用氧化錳鋰（LiMn2O4）及氧化鎳鋰（LiNiO2）作正極材料。新型磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作電池正極，用石墨作負(fù)極的鋰離子電池。它的工作原理與鋰離子電池完全相同，是鋰離子電池家族中的新成員。
磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡稱磷酸鐵鋰電池。由于該電池非常適用于作動(dòng)力電池，所以往往稱它為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。本文簡寫成LiFePO4電池。
在上述幾種鋰離子電池正極材料中，以金屬元素鈷（Co）最貴，并且世界上儲(chǔ)藏量不多、其次是鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜、而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價(jià)格也與這些金屬材料的價(jià)格行情一致。因此，LiFePO4電池應(yīng)是最便宜的。另外它具有放電平臺(tái)特別平坦、能用大放電率放電（5~10C）、特別安全（不會(huì)因過充電、過放電、甚至短路時(shí)發(fā)生燃燒或爆炸）、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)，作為大電流輸出的動(dòng)力電池，它的性能是最佳的。
目前國內(nèi)已有一些工廠能生產(chǎn)LiFePO4正極材料，有一些工廠已小批量生產(chǎn)各種不同容量的LiFePO4電池（容量從幾百mAh到幾百Ah）。由于生產(chǎn)時(shí)間不長、產(chǎn)量不大，還是初創(chuàng)階段，因此目前在價(jià)格上比同樣容量的鋰離子電池還貴，但是還供不應(yīng)求，經(jīng)常發(fā)生缺貨。這種現(xiàn)象將在1~2年內(nèi)得到改進(jìn)。到那時(shí)LiFePO4電池的價(jià)格更齊全、質(zhì)量進(jìn)一步提高，價(jià)格也更便宜，應(yīng)用將更廣泛。
1. LiFePO4電池主要特點(diǎn)
（1）強(qiáng)勁的動(dòng)力特性
一般鋰離子電池的工作放電率為1~1.5C，動(dòng)力鋰電池為2~5C，而LiFePO4電池可在2~10C放電率范圍長期工作，甚至于在10秒短時(shí)間內(nèi)可達(dá)20C的放電率。采用LiFePO4電池作為動(dòng)力的汽車有極好的加速性能、用作電動(dòng)工具手電鉆電源時(shí)則有高的鉆孔速度，并能對硬度較大的材料進(jìn)行鉆孔。
（2）極為平坦的放電平臺(tái)
（3）循環(huán)壽命長
如果采用1C充電率充電、2C放電率放電對鋰離子動(dòng)力電池及LiFePO4電池作循環(huán)壽命試驗(yàn)，其結(jié)果是：鋰離子動(dòng)力電池做了300個(gè)循環(huán)后，其放電容量已降到85%；而LiFePO4電池做了500個(gè)循環(huán)后，其放電容量還大于95%。
如果采用1C充電率充電、5C放電率放電對上述兩種電池作循環(huán)壽命試驗(yàn)，其結(jié)果是：鋰離子動(dòng)力電池做了300個(gè)循環(huán)，其放電容量已降到60%；而LiFePO4電池做了300個(gè)循環(huán)放電容量還大于80%。
從上述比較可知：LiFePO4電池在高放電率時(shí)也有較長的循環(huán)壽命，在一般1C放電率使用時(shí)其循環(huán)壽命可達(dá)1000次以上。
（4）高安全特性
大功率動(dòng)力電池不能使用PTC及CID一類的保險(xiǎn)絲作過流保護(hù)，因此安全要靠內(nèi)部化學(xué)成分，即使電池在短路故障發(fā)生時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生燃燒及爆炸。同樣，電池受外力損傷（甚至用針刺，將電池刺破）也不會(huì)燃燒及爆炸。另外，在使用過程中有過充電、過放電時(shí)，這對電池會(huì)有些損傷，但不漏液、不燃燒、不爆炸。即使充滿電的電池，將它放到130℃的熱箱中，電池內(nèi)部溫度也達(dá)到130℃時(shí)也不燃燒、不爆炸。
由于它安全性極好，適合用于易燃、易爆、工作溫度較高的場合。例如用LiFePO4電池作礦燈電源是最安全的。
（5）能在低電壓帶負(fù)載放電到0V
有一些性能好的LiFePO4電池，在放電到終止放電壓2.0V后還繼續(xù)放電到電池電壓為0V時(shí)，對電池性能影響不大。其試驗(yàn)如下：電池以0.5C充滿后以1C放電到0V；在電池正負(fù)極加一個(gè)1W電阻連接起來；將電池分成兩組分別放置7天及30天；到期后再按0.5C充滿，按1C放電，其兩組電池的試驗(yàn)結(jié)果是：放置7天的一組，無泄漏、性能良好、放電容量為100%；放置30天的一組，無泄漏，放電容量為98%，經(jīng)過3次充放電循環(huán)，恢復(fù)到100%。
（6）對環(huán)境無污染
LiFePO4電池對環(huán)境無毒，其毒性明顯低于LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4為正極材料的鋰離子電池。
(7) 價(jià)格低
由于LiFePO4有上述特點(diǎn)，因此它發(fā)展勢頭很猛，將在很多領(lǐng)域中逐步取代以氧化鈷鋰為正極材料的鋰離子電池。
日本Eamex正在加緊使該公司開發(fā)的大容量電容器產(chǎn)品化。這種電容器是一種混合型電容器，通過在固體高分子電解質(zhì)膜表面進(jìn)行鍍金處理形成電極。通過改進(jìn)鍍金的方法，增大了電極的比表面積，提高了物理吸附效果。同時(shí)還憑借在電解液中使用鋰離子產(chǎn)生的電氣化學(xué)效應(yīng)提高了能量密度。目前汽車大廠對該電容器所擁有的超過鋰離子充電電池的能量密度等表示出了濃厚的興趣，已經(jīng)有部分廠商正在探討實(shí)用化問題。
Eamex于2009年6月宣布該公司電容器的單位體積能量密度達(dá)到了600Wh/L。600Wh/L這一數(shù)值達(dá)到了可與高性能鋰離子充電電池的能量密度相匹敵的程度。盡管未公布細(xì)節(jié)，但據(jù)悉通過改善鍍金處理?xiàng)l件使電極部的比表面積增大到了2萬倍，同時(shí)還使固體高分子電解質(zhì)膜的厚度比原來的約60μm減小了一半，僅為31μm。這樣單位體積的能量密度就得到了飛躍性提高。由于電極的鍍金部的厚度為10μm，因此形成了陰陽兩電極與固體高分子膜具有相同厚度的構(gòu)造。另外，固體高分子等材料也為能量密度的提高做出了貢獻(xiàn)。固體高分子電容器與鋰離子電容器一樣，需要事先進(jìn)行吸附鋰離子的工序（預(yù)注入）（Eamex將鋰離子注入工序稱為活化（Activation）。鋰離子電容器在該工序上耗時(shí)較長，被公認(rèn)為難點(diǎn)之一。）。由于所采用的固體高分子具有帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，因此注入帶正電荷的鋰離子可很容易地提高靜電容量。
“可將電池成本降至1/10”
這種電容器的單位體積功率密度達(dá)到了2萬W/L，大大超過了現(xiàn)有的電雙層電容器。而用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車的蓄電池時(shí)，正好就需要擁有高功率密度，以便提供起步及加速時(shí)需要的大功率。為功率密度的提高助一臂之力的是使金屬膠體集中到鍍金部位上。這是通過調(diào)整鍍金條件實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過這樣的改進(jìn)，降低了內(nèi)部電阻，提高了功率密度。在開發(fā)之初，電容器的內(nèi)部電阻大、功率密度低曾一度成為最大難點(diǎn)，現(xiàn)在已達(dá)到足以實(shí)用的水平。此外，在鍍金預(yù)處理及電解液注入 方法上也運(yùn)用了可提高能量密度及功率密度的獨(dú)自技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。
創(chuàng)下600Wh/L紀(jì)錄的試驗(yàn)品盡管非常小，只有0.2×0.5cm，但該公司還試制成功了A4尺寸的產(chǎn)品，在確保一定性能的情況下實(shí)現(xiàn)大型化，看來并非難事。另外獲得600Wh/L的性能時(shí)需要優(yōu)化條件，并不是任何條件下都能獲得該性能。盡管如此，平均值仍達(dá)到了150Wh/L，“目前該性能已足夠。今后將為制造穩(wěn)定的單元大力開發(fā)”（Eamex代表董事瀨和信吾）。
雖未公布細(xì)節(jié)，由薄膜層疊而成的單元也開發(fā)成功。該公司推算，在面向電動(dòng)汽車量產(chǎn)單位重量能量密度為100Wh/kg的電池時(shí)，使用該技術(shù)的電池有望以2萬日元/kWh的成本實(shí)施量產(chǎn)?，F(xiàn)有鋰離子充電電池的價(jià)格估計(jì)在20萬日元/kWh，成本大約只有其1/10。不過，汽車電池要求具有出色的安全性及可靠性。瀨和估計(jì)，面向筆記本電腦及手機(jī)等小型電子產(chǎn)品的電池會(huì)更早達(dá)到實(shí)用水平，并自信地表示“有望2、3年后實(shí)用化”。
另一方面，Eamex還對汽車等更大的市場顯示出了強(qiáng)烈欲望，表示“將力爭2015年前后面向汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化，并于2020年實(shí)施量產(chǎn)”（瀨和）。目前該公司正處于安全性驗(yàn)證等工作的關(guān)鍵期，在釘刺試驗(yàn)以及強(qiáng)制施加60V的耐壓試驗(yàn)中均未出現(xiàn)發(fā)熱等問題。溫度特性也達(dá)到了鋰離子充電電池的同等水平。作為實(shí)用化的另一難點(diǎn)，該公司還提到了構(gòu)件的低成本化。今后該公司考慮棄用目前鍍金電極部所采用的金，以低價(jià)金屬材料來代替。而且還打算將固體高分子材料換成低價(jià)普通產(chǎn)品，不再采用目前昂貴的氟類樹脂，并力爭確保同等的性能。
鋰離子電池已廣泛用于便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具和電動(dòng)車電源。而以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子二次電池具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和循環(huán)充放電性能，被業(yè)界稱為“最安全的鋰電池”，因此在近年來，磷酸鐵鋰電池備受國內(nèi)外關(guān)注。磷酸鐵鋰具有穩(wěn)定、安全、環(huán)保等氧化鈷鋰正極材料難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，完全可以應(yīng)用到諸如電動(dòng)汽車、低谷電力儲(chǔ)藏、風(fēng)力與太陽能發(fā)電電能儲(chǔ)藏、應(yīng)急于電力儲(chǔ)備和車用輔助電源等設(shè)備。
在應(yīng)用過程中供電電源通常由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成，以滿足設(shè)備所需電壓和功率要求。在實(shí)際使用中，由于單體電池之間的差異，電池組的容量只能達(dá)到最弱的電池的容量。在串聯(lián)電池組中，雖然通過單體電池的電流相同，但是由于其容量不同，電池的放電深度也會(huì)不同，容量大的總會(huì)欠充欠放，而容量小的總會(huì)過充過放，這就造成容量大的衰減緩慢、壽命延長；容量小的衰減加快、壽命縮短，兩者之間的差異會(huì)越來越大，最終小容量電池的失效會(huì)導(dǎo)致電池組的提前失效。
通常我們把因單體電池的性能差異而導(dǎo)致的電池組性能降低的現(xiàn)象稱為電池匹配失衡。大多數(shù)情況下，引起匹配失衡的原因是電池的制作工藝和檢測手段的不完善，而不是鋰離子電池本身的化學(xué)屬性變化。即使在生產(chǎn)出電池后進(jìn)行檢測分類再進(jìn)行組合，也會(huì)出現(xiàn)電池匹配失衡的現(xiàn)象。比如：各單體的自放電量不同導(dǎo)致電池組在擱置過程中的容量失衡、單體之間電阻不同導(dǎo)致個(gè)別單體在電池組充電過程中過充等。
電池匹配失衡主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：電池荷電狀態(tài)失衡（即：所有單體的容量相同，但在電池組制作或擱置過程中，單體的荷電狀態(tài)不同）和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術(shù)便可解決以上兩種失衡問題，從而改進(jìn)串聯(lián)電池組的電性能。電池荷電態(tài)失衡需在電池組初次充、放電時(shí)進(jìn)行均衡調(diào)整電池,此后只需在充電期間進(jìn)行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進(jìn)行均衡。
