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什麼是磷酸鐵鋰電池(LiFePO4) ?

淺談磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)

自鋰離子電池問世以來,圍繞它的研究、開發工作一直不斷地進行著,上世紀90年代末又開發出鋰聚合物電池,2002年後則推出磷酸鐵鋰動力電池。

鋰離子電池內部主要由正極、負極、電解質及隔膜組成。正、負極及電解質材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能,並且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰(LiCoO2),另外還有少數採用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池,一般將後兩種正極材料的鋰離子電池稱為「鋰錳電池」及「鋰鎳電池」。新開發的磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料作電池正極的鋰離子電池,它是鋰離子電池家族的新成員。

一般鋰離子電池的電解質是液體的,後來開發出固態及凝膠型聚合物電解質,則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池,其性能優於液體電解質的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池的全名應是磷酸鐵鋰鋰離子電池,這名字太長,簡稱為磷酸鐵鋰電池。由於它的性能特別適於作動力方面的應用,則在名稱中加入「動力」兩字,即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為「鋰鐵(LiFe)動力電池」。

採用LiFePO4材料作正極的意義

目前用作鋰離子電池的正極材料主要有:LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。這些組成電池正極材料的金屬元素中,鈷(Co)最貴,並且存儲量不多,鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,採用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。作為可充電電池的要求是:容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸)、工作溫度範圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。採用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯,特別在大放電率放電(5~10C放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力電池。

LiFePO4電池的結構與工作原理


LiFePO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的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)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池內部結構

LiFePO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

LiFePO4電池主要性能

LiFePO4電池的標稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於各個生產廠家採用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同,其性能上會有些差異。例如同一種型號(同一種封裝的標準電池),其電池的容量有較大差別(10%~20%)。

磷酸鐵鋰動力電池主要性能列於表1。為了與其他可充電電池的相比較,也在表中列出其他種類可充電電池性能。這裡要說明的是,不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數上會有一些差別;另外,有一些電池性能未列入,如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。

磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別,可以分成三類:小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。這裡再介紹一種目前應用較廣的小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數。其外廓尺寸:直徑為18mm、高650mm(型號為18650),其參數性能如表2所示。

典型的放電特性及壽命

一種型號為LFP18650的磷酸鐵鋰動力電池(容量為1100mAh)在不同的放電率時其放電特性如圖2所示。最小的放電率為0.5C,最大的放電率為10C,五種不同的放電率形成一組放電曲線。由圖2中可看出,不管哪一种放電率,其放電過程中電壓是很平坦的(即放電電壓平穩,基本保持不變),只有快到終止放電電壓時,曲線才向下彎曲(放電量達到800mAh以後才出現向下彎曲)。在0.5~10C的放電率範圍內,輸出電壓大部分在2.7~3.2V範圍內變化。這說明該電池有很好的放電特性。

圖2 LFP18650的放電特性

容量為1000mAh的LFP18650在不同的溫度條件下(從-20~+40℃)的放電曲線如圖3所示。如果在23℃時放電容量為100%,則在0℃時的放電容量降為78%,而在-20℃時降到65%,在+40℃放電時其放電容量略大於100%。

從圖3中可看出,LFP18650磷酸鐵鋰電池可以在-20℃下工作,但輸出能量要降低35%左右。


圖3 LFP18650在多溫度條件下的放電曲線

LFP18650的充放電循環壽命曲線如圖4所示。其充放電循環的條件是:以1C充電率充電,以2C放電率放電,歷經570次充放電循環。從圖4的特性曲線可看出,在經過570次充放電循環,其放電容量未變,說明該電池有很高的壽命。

圖4 LFP18650的充放電循環壽命曲線

過放電到零電壓試驗

採用LFP18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件:用0.5C充電率將1100mAh的LFP18650電池充滿,然後用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組:一組存放7天,另一組存放30天;存放到期後再用0.5C充電率充滿,然後用1.0C放電。最後比較兩種零電壓存放期不同的差別。

試驗的結果是,零電壓存放7天後電池無洩漏,性能良好,容量為100%;存放30天後,無洩漏、性能良好,容量為98%;存放30天後的電池再做3次充放電循環,容量又恢復到100%。

這試驗說明該電池即使出現過放電(甚至到0V),並存放一定時間,電池也不洩漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

磷酸鐵鋰電池的特點

通過上述介紹,LiFePO4電池可歸納下述特點。
1高效率輸出:標準放電為2~5C、連續高電流放電可達10C,瞬間脈衝放電(10S)可達20C;
2 高溫時性能良好:外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃,電池放電結束時溫度可達160℃,電池的結構安全、完好;
3 即使電池內部或外部受到傷害,電池不燃燒、不爆炸、安全性最好;
4 極好的循環壽命,經500次循環,其放電容量仍大於95%;
5 過放電到零伏也無損壞;
6 可快速充電;
7 低成本;
8 對環境無污染。

磷酸鐵鋰動力電池的應用領域:

由於磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點,並且生產出各種不同容量的電池,很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有:
1 大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點遊覽車及混合動力車等;
2 輕型電動車:電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等;
3 電動工具:電鑽、電鋸、割草機等;
4 遙控汽車、船、飛機等玩具;
5 太陽能及風力發電的儲能設備;
6 UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);
7 替代照相機中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池(尺寸完全相同);
8 小型醫療儀器設備及便攜式儀器等。
這裡舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應用實例。采36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池,其重量12kg,充一次電可行走約50km,充電次數約300次,使用時間約1年。若採用磷酸鐵鋰動力電池,採用同樣的360Wh能量(12個10Ah電池串聯組成),其重量約4kg,充電一次可行走80km左右,充電次數可達1000次,使用壽命可達3~5年。雖然說磷酸鐵鋰動力電池的價格較鉛酸電池高得多,但總的經濟效果還是採用磷酸鐵鋰動力電池更好,並且在使用上更輕便。(以上僅供參考,以實際為準,卻不要盲目更從)

磷酸鐵鋰動力電池的具體應用:

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