磷酸鐵鋰動力電池特性及應用

     自鋰離子電池問世以來，圍繞它的研究、開發(fā)工作一直不斷地進行著，上世紀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，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是液體的，后來開發(fā)出固態(tài)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(yōu)于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。由于它的性能特別適于作動力方面的應用，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”。

　　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。

圖1 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。由于各個生產廠家采用的正、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(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(放電量達到800mAh以后才出現(xiàn)向下彎曲)。在0.5～10C的放電率范圍內，輸出電壓大部分在 2.7～3.2V范圍內變化。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570次充放電循環(huán)。從圖4的特性曲線可看出，在經過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。

　　試驗的結果是，零電壓存放7天后電池無泄漏，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：標準放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電(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(huán)壽命，經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用

　　由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，并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、割草機等;

　　4 遙控汽車、船、飛機等玩具;

　　5 太陽能及風力發(fā)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(yī)療儀器設備及便攜式儀器等。

　　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準的，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)。電池生產工廠往往在型號前加三個英文字母作廠標，例如型號為×××18650。

　　結語

　　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磷酸鐵鋰電池正極材料及生產各種不同容量的磷酸鐵鋰動力電池。由于生產時間不長，規(guī)模還不大，造成供不應求的情況。不過，這種情況可望在2～3年內得到改變，磷酸鐵鋰動力電池將更便宜，并且其應用將更普遍。