磷酸鐵鋰電池工作原理以及優(yōu)勢是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-09 19:13
點擊量：次
鋰離子電池的正極為磷酸鐵鋰材料，其安全性能與循環(huán)壽命有較大優(yōu)勢，這些也正是動力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。1C充放循環(huán)壽命可做到2000次，穿刺不爆炸，過充時不容易燃燒和爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易并串聯(lián)使用。
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(shù)鋰離子電池使用的正極材料。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。
1介紹
磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池，一個主要用途是用于動力電池，相對NI-MH、Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢。
磷酸鐵鋰電池充放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達90%以上，而鉛酸電池約為80%。
2八大優(yōu)勢
安全性能的改善
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件，而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。
壽命的改善
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。
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，循環(huán)壽命達到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用，可達到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，最多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達2C,而鉛酸電池?zé)o此性能。
高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
大容量
具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。單體容量為5AH-1000AH。
無記憶效應(yīng)
可充電池在經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。
重量輕
同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。
環(huán)保
該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池證。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)?？剂?，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。隨著中國加入WTO，中國電動自行車的出口量將迅速增大，而進入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。
但有專家表示，鉛酸電池造成的環(huán)境污染，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過程和回收處理環(huán)節(jié)。同理，鋰電池屬于新能源行業(yè)不錯，但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學(xué)物質(zhì)，所以有可能會產(chǎn)生兩種污染：一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染；二是報廢以后的電池污染。
磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，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。而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。
動力電池的對比
目前最有希望應(yīng)用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內(nèi)混合使用。
行業(yè)應(yīng)用
涂碳鋁箔為鋰電產(chǎn)業(yè)帶來技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)提升；提升鋰電產(chǎn)品性能，改善放電倍率。
隨著國內(nèi)電池廠商對電池性能要求的日益提高，國內(nèi)普遍認同新能源電池材料：導(dǎo)電材料、導(dǎo)電涂層鋁箔、銅箔。
其優(yōu)勢在于：在處理電池材料的時候，常擁有高倍率充放電性能好，較大比容量，但循環(huán)穩(wěn)定性較差，衰減較為嚴(yán)重等原因，不得不做取舍放棄。
這是個神奇的涂層，將電池的性能提高，帶入新紀(jì)元。
導(dǎo)電涂層是由分散好的納米導(dǎo)電石墨包覆顆粒等所組成。它能提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，是一層保護能量吸收層。它也能提供好的遮蓋防護性能。涂層有水性的和溶劑性的，能應(yīng)用在鋁片，銅片，不銹鋼，鋁和鈦雙極板上。
涂碳涂層對鋰電池的性能帶來以下提升：
1. 降低電池內(nèi)阻，抑制充放電循環(huán)過程中的動態(tài)內(nèi)阻增幅；
2. 顯著提高電池組的一致性，降低電池組成本；
3. 提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片制造成本；
4. 減小極化，提高倍率性能，減低熱效應(yīng)；
5. 防止電解液對集流體的腐蝕；
6. 綜合因子進而延長電池使用壽命；
7. 涂層厚度：常規(guī)單面厚1～3μm。
日本和韓國近幾年主要開發(fā)以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動力型鋰離子電池，如豐田和松下合資成立的Panasonic EV能源公司、日立、索尼、新神戶電機、NEC、三洋電機、三星以及LG等。
美國主要開發(fā)以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰離子電池，如A123系統(tǒng)公司、Valence公司，但美國的主要汽車廠家在其PHEV與EV中卻選擇錳基正極材料體系動力型鋰離子電池，并且據(jù)說美國A123公司在考慮進軍錳酸鋰材料領(lǐng)域，而德國等歐洲國家主要采取和其它國家電池公司合作的方式發(fā)展電動汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft聯(lián)盟、德國大眾與日本三洋協(xié)議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發(fā)和生產(chǎn)動力型鋰離子電池。
缺點
一種材料是否具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ岁P(guān)注其優(yōu)點外，更為關(guān)鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。
國內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機構(gòu)、企業(yè)甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料，將其作為動力型鋰離子電池的發(fā)展方向。
分析其原因，主要有下列兩點：首先是受到美國研發(fā)方向的影響，美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內(nèi)一直沒有制備出可供動力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲存性能的錳酸鋰材料。但磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結(jié)起來主要有以下幾點：
1.在磷酸鐵鋰制備時的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因；
2.磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。美國阿貢國家實驗室儲能系統(tǒng)中心主任Don Hillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時候，他用terrible來形容，他們對磷酸鐵鋰型鋰離子電池測試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無法使電動汽車行駛。盡管也有廠家宣稱磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯，但是那是在放電電流較小和放電截止電壓很低的情況下。在這種狀況下，設(shè)備根本就無法啟動工作。
3.材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)性能，但是也帶來了其它問題，如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環(huán)境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵鋰中的化學(xué)元素Li，F(xiàn)e與P很豐富，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵鋰產(chǎn)品成本并不低，即使去掉前期的研發(fā)成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會使得最終單位儲能電量的成本較高。
4.產(chǎn)品一致性差。目前國內(nèi)還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅(qū)體以及還原性氣相。在這一復(fù)雜的反應(yīng)過程中，很難保證反應(yīng)的一致性。
5.知識產(chǎn)權(quán)問題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得，并于同年8月19日公布申請結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，如果成本中計算上專利使用費的話，那產(chǎn)品成本將會進一步提高。
