磷酸鐵鋰動力電池特性及應(yīng)用

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

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱。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(shù)采用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池，一般將后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(fā)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(zhì)是液體的，后來開發(fā)出固態(tài)及凝膠型聚合物電解質(zhì)，則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池，其性能優(yōu)于液體電解質(zhì)的鋰離子電池。

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，簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應(yīng)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”。

采用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，并且存儲量不多，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，采用 LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個特點是對環(huán)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(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)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(dāng)而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環(huán)境無污染。采用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(wěn)上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環(huán)次數(shù))、對環(huán)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(jié)構(gòu)與工作原理

LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

圖1 LiFePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)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(biāo)稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產(chǎn)廠家采用的正、負(fù)極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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于表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。這里要說明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數(shù)上會有一些差別;另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)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(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm(型號為 18650)，其參數(shù)性能如表2所示。

典型的放電特性及壽命

一種型號為STL18650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，不管哪一種放電率，其放電過程中電壓是很平坦的(即放電電壓平穩(wěn)，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(dá)到800mAh以后才出現(xiàn)向下彎曲)。在0.5～10C的放電率范圍內(nèi)，輸出電壓大部分在 2.7～3.2V范圍內(nèi)變化。這說明該電池有很好的放電特性。

圖2 STL18650的放電特性

容量為1000mAh的STL18650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于100%。

從圖3中可看出，STL18650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 STL18650在多溫度條件下的放電曲線

STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線如圖4所示。其充放電循環(huán)的條件是：以1C充電率充電，以2C放電率放電，歷經(jīng)570次充放電循環(huán)。從圖4的特性曲線可看出，在經(jīng)過570次充放電循環(huán)，其放電容量未變，說明該電池有很高的壽命。

圖4 STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線

過放電到零電壓試驗

采用STL18650(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 STL18650電池充滿，然后用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;存放到期后再用 0.5C充電率充滿，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。

試驗的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%;存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復(fù)到100%。

這試驗說明該電池即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V)，并存放一定時間，電池也不泄漏、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(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10S)可達(dá)20C;

2 高溫時性能良好：外部溫度65℃時內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好;

3 即使電池內(nèi)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(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于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(huán)境無污染。

磷酸鐵鋰動力電池的應(yīng)用

由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1 大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點游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：電鉆、電鋸、割草機(jī)等;

4 遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具;

5 太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備;

6 UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);

7 替代照相機(jī)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(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

這里舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實例。采用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(shù)約100次，使用時間約1年。若采用磷酸鐵鋰動力電池，采用同樣的360Wh能量(12個10Ah電池串聯(lián)組成)，其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數(shù)可達(dá)1000次，使用壽命可達(dá)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(jīng)濟(jì)效果還是采用磷酸鐵鋰動力電池更好，并且在使用上更輕便。

小型磷酸鐵鋰動力電池

小型磷酸鐵鋰動力電池是標(biāo)準(zhǔn)的，有圓柱形及長方形。如圓柱型的型號有18650、26650等。型號中前兩位是表示直徑，后兩位或三位表示高度(單位為mm)，即18650的尺寸的直徑為18，高度為65。長方形的型號有103450R、183665R等。其前兩位是電池的厚度、中間兩位是電池的寬度，后兩位是電池的長度(單位為mm)。電池生產(chǎn)工廠往往在型號前加三個英文字母作廠標(biāo)，例如型號為×××18650。

結(jié)語

磷酸鐵鋰動力電池是一種新型動力電池，由于其性能優(yōu)良，受到各方面的重視。我國現(xiàn)在已有一些工廠生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池正極材料及生產(chǎn)各種不同容量的磷酸鐵鋰動力電池。由于生產(chǎn)時間不長，規(guī)模還不大，造成供不應(yīng)求的情況。不過，這種情況可望在2～3年內(nèi)得到改變，磷酸鐵鋰動力電池將更便宜，并且其應(yīng)用將更普遍。