磷酸鐵锂電池 小知識
磷酸鐵锂電(diàn)池，是指用磷酸鐵锂作爲正極材料的锂離子電(diàn)池。锂離子電(diàn)池的正極材料主要有钴酸锂、錳酸锂、鎳酸锂、三元材料、磷酸鐵锂等。其中钴酸锂是目前絕大多數锂離子電(diàn)池使用的正極材料 。從(cóng)材料的原理上講，磷酸鐵锂也是一種嵌入、脫嵌過程，這一原理與钴酸锂 ，錳酸锂完全相同 。
2020-12-18 18:00:52
——關於磷酸鐵锂電池——
磷酸鐵锂電(diàn)池，是指用磷酸鐵锂作爲正極材料的锂離子電(diàn)池。锂離子電(diàn)池的正極材料主要有钴酸锂 、錳酸锂、鎳酸锂、三元材料 、磷酸鐵锂等。其中钴酸锂是目前絕大多數锂離子電(diàn)池使用的正極材料 。從(cóng)材料的原理上講 ，磷酸鐵锂也是一種嵌入、脫嵌過程，這一原理與钴酸锂 ，錳酸锂完全相同。1.介紹
磷酸鐵锂電(diàn)池屬於(yú)锂離子二次電(diàn)池，一個主要用途是用於(yú)動力電(diàn)池 ，相對NI-MH、Ni-Cd電(diàn)池有很大優勢。
磷酸鐵锂電(diàn)池充放電(diàn)效率較高，倍率放電(diàn)情況下充放電(diàn)效率可達(dá)90%以上 ，而鉛酸電(diàn)池約爲80%
2.八大優勢
安全性能的改善
磷酸鐵锂晶體中的P-O鍵穩固 ，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像钴酸锂一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質 ，因此擁有良好的安全性 。有報(bào)告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發現有小部分樣品出現燃燒現象，但未出現一例碎事件，而過充實驗中使用大超出自身放電(diàn)電(diàn)壓數倍的高電(diàn)壓充電(diàn)，發現依然有碎現象。雖然如此，其過充安全性較之普通液态電(diàn)解液钴酸锂電(diàn)池，已大有改善。
壽命的改善
磷酸鐵锂電(diàn)池是指用磷酸鐵锂作爲正極(jí)材料的锂離子電(diàn)池。
長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，比較高也就500次，而磷酸鐵锂動力電池，循環壽命達(dá)到2000次以上 ，标準充電(5小時率)使用 ，可達(dá)到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，比較多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵锂電池在同樣條件下使用，理論壽命将達(dá)到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上爲鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電 ，在專門的充電器下，1.5C充電40分鍾内即可使電池充滿 ，起動電流可達(dá)2C,而鉛酸電池無此性能 。
高溫性能好
磷酸鐵锂電(diàn)熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸锂和钴酸锂隻在200℃左右 。工作溫度範圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵锂電(diàn)熱峰值可達(dá)350℃-500℃，而錳酸锂和钴酸锂隻在200℃左右
大容量
具有比普通電(diàn)池(鉛酸等)更大的容量。單(dān)體容量爲5AH-1000AH。
無記憶效應
可充電池在經常處(chù)於(yú)充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低於(yú)額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳镉電池存在記憶性，而磷酸鐵锂電池無此現象，電池無論處(chù)於(yú)什麽狀态，可随充随用，無須先放完再充電 。
重量輕
同等規(guī)格容量的磷酸鐵锂電(diàn)池的體積是鉛酸電(diàn)池體積的2/3，重量是鉛酸電(diàn)池的1/3。
環保
該電池一般被認爲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規定，爲肯定的綠色環保電池證。所以锂電池之所以被業界看好，主要是環保考量，因此該電池又列入瞭(le)“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃，成爲國家重點支持和鼓勵發展的項目。随著(zhe)中國加入WTO，中國電動自行車的出口量将迅速增大，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，鉛酸電池造成的環境污染，主要發生在企業不規範的生産過程和回收處理環節 。同理，锂電池屬於(yú)新能源行業不錯，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 、镉、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物質 ，所以有可能會産生兩種污染：一是生産工程中的工藝排洩物污染；二是報(bào)廢以後的電池污染 。
磷酸鐵锂電池也有其缺點(diǎn)：例如低溫性能差，正極材料振實密度小 ，等容量的磷酸鐵锂電池的體積要大於(yú)钴酸锂等锂離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢 。而用於(yú)動力電池時，磷酸鐵锂電池和其他電池一樣，需要面對電池一緻性問題。
動力電池的對比
目前比較有希望應用於(yú)動力型锂離子電池的正極材料主要有改性錳酸锂(LiMn2O4)、磷酸鐵锂(LiFePO4)和鎳钴錳酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料 。鎳钴錳酸锂三元材料由於(yú)钴的資源缺乏與鎳 、钴成高和價格波動大等原因 ，普遍認爲很難成爲電動汽車(chē)用動力型锂離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸锂在一定範圍内混合使用 。
行業應用
塗碳鋁箔爲锂電産(chǎn)業帶(dài)來技術革新和産(chǎn)業提升；
提升锂電(diàn)産(chǎn)品性能，改善放電(diàn)倍率。
随著(zhe)國内電池廠商對電池性能要求的日益提高 ，國内普遍認同新能源電池材料：導電材料、導電塗層(céng)鋁箔、銅箔。
其優勢在於(yú)：在處(chù)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，但循環穩定性較差，衰減較爲嚴重等原因 ，不得不做取舍放棄。
這是個神奇的塗層(céng)，将電池的性能提高，帶(dài)入新紀元 。
導(dǎo)電塗層(céng)是由分散好的納米導(dǎo)電石墨包覆顆粒等所組成 。它能提供較好的靜态導(dǎo)電性能，是一層(céng)保護能量吸收層(céng)。它也能提供好的遮蓋防護性能。塗層(céng)有水性的和溶劑性的，能應用在鋁片 ，銅片，不鏽鋼，鋁和钛雙極闆上 。
塗碳塗層(céng)對锂電池的性能帶(dài)來以下提升 ：
1. 降低電(diàn)池内阻，控制充放電(diàn)循環過程中的動(dòng)态内阻增幅；
2. 顯著(zhe)提高電(diàn)池組的一緻性，降低電(diàn)池組成本；
3. 提高活性材料和集流體的粘接附著(zhe)力，降低極(jí)片制造成本；
4. 減(jiǎn)小極(jí)化，提高倍率性能，減(jiǎn)低熱效應；
5. 防止電(diàn)解液對(duì)集流體的腐蝕；
6. 綜合因子進而延長(zhǎng)電(diàn)池使用壽命；
7. 塗層(céng)厚度：常規單(dān)面厚1～3μm。
日本和韓國近幾年主要開發以改性錳酸锂和鎳钴錳酸锂三元材料爲正極材料的動力型锂離子電池，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。美國主要開發以磷酸鐵锂爲正極材料的動力型锂離子電池 ，如A123系統公司 、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锂離子電池，並(bìng)且據說美國A123公司在考慮進軍錳酸锂材料領域，而德國等歐洲國家主要採(cǎi)取和其它國家電池公司合作的方式發展電動汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft結盟、德國大衆與日本三洋協議合作等。目前德國的大衆汽車和法國的雷諾汽車在本國的支持下也正在研發和生産動力型锂離子電池。
3.缺點
一種材料是否具有應用發展潛力，除瞭(le)關注其優點(diǎn)外，更爲關鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷 。
國内現在普遍選擇磷酸鐵锂作爲動力型锂離子電池的正極材料，從、科研機構、企業甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料，将其作爲動力型锂離子電池的發展方向 。分析其原因，主要有下列兩點 ：首先是受到美國研發方向的影響，美國Valence與A123公司比較早採(cǎi)用磷酸鐵锂做锂離子電池的正極材料 。其次是國内一直沒有制備(bèi)出可供動力型锂離子電池使用的具有良好高溫循環與儲存性能的錳酸锂材料 。但磷酸鐵锂也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結起來主要有以下幾點：
1.在磷酸鐵锂制備(bèi)時的燒結過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單(dān)質鐵的可能性。單(dān)質鐵會引起電池的微短路 ，是電池中比較忌諱的物質。這也是日本一直不将該材料作爲動力型锂離子電池正極材料的主要原因；
2.磷酸鐵锂存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導緻锂離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使将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中心主任Don Hillebrand博士談到磷酸锂鐵電池低溫性能的時候，他用terrible來形容，他們對磷酸鐵锂型锂離子電池測(cè)試結果表明表明磷酸鐵锂電池在低溫下(0℃以下)無法使電動汽車行駛 。盡管也有廠家宣稱磷酸锂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，設備(bèi)根本就無法啓動工作。
3、材料的制備成本與電池的制造成本較高 ，電池成品率低 ，一緻性差。磷酸鐵锂的納米化和碳包覆盡管提高瞭(le)材料的電化學性能 ，但是也帶來瞭(le)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境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵锂中的化學元素Li，Fe與P很豐富，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵锂産品成本並(bìng)不低，即使去掉前期的研發成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會使得比較終單位儲能電量的成本較高。
4、産(chǎn)品一緻性差。目前國内還沒有一家磷酸鐵锂材料廠能夠解決這一問題。從材料制備(bèi)角度來說，磷酸鐵锂的合成反應是一個複雜的多相反應，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及锂鹽，外加碳的前驅體以及還原性氣相。在這一複雜的反應過程中 ，很難保證反應的一緻性。
5.知識産權問題。比較早的有關磷酸鐵锂專利申請在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得 ，並(bìng)於(yú)同年8月19日公布申請結果 。磷酸鐵锂的基礎專利被美國德州大學所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請 。這兩個基礎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 ，那産品成本将會進一步提高。
此外 ，從研發和生産锂離子電池的經驗來看，日本是锂離子電池比較早商業化的國家 ，並(bìng)且一直占據著(zhe)大氣锂離子電池市場。而美國盡管在一些基礎研究上先進 ，但是到目前爲止還沒有一家大型锂離子電池生産企業。因此，日本選擇錳酸锂作爲動力型锂離子電池正極材料更有其道理 。即使是在美國 ，利用磷酸鐵锂和錳酸锂作爲動力型锂離子電池正極材料的廠家也是各占一半 ，聯邦也是同時支持這兩種體系的研發 。鑒於磷酸鐵锂存在的上述問題，很難作爲動力型锂離子電池的正極材料在新能源汽車等領域獲得普遍應用 。如果能夠解決錳酸锂存在的高溫循環與儲存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優勢，在動力型锂離子電池中的應用将有巨的的潛力。
4.工作原理與特點。磷酸鐵锂電池的全名是磷酸鐵锂锂離子電池，這名字太長(zhǎng)，簡稱爲磷酸鐵锂電池 。由於(yú)它的性能特别适於(yú)作動力方面的應用，則在名稱中加入“動力”兩字，即磷酸鐵锂動力電池。也有人把它稱爲“锂鐵(LiFe)動力電池”。
意義
在金屬交易市場 ，钴(Co)比較貴，並(bìng)且存儲量不多，鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜，而鐵(Fe)便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一緻。因此，採(cǎi)用LiFePO4正極材料做成的锂離子電池應是便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。
作爲充電電池的要求是 ：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碎)、工作溫度範圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。採(cǎi)用LiFePO4作正極的磷酸鐵锂電池在這些性能要求上都不錯(cuò)，特别在大放電率放電(5～10C放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒 、不碎)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上，它是比較好的，是目前比較好的大電流輸出動力電池。
結構與工作原理
LiFePO4電池的内部結是橄榄石結構的LiFePO4作爲電池的正極，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，但锂離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊(biān)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(bì)封裝。
LiFePO4電(diàn)池在充電(diàn)時 ，正極中的锂離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電(diàn)過程中 ，負(fù)極中的锂離子Li+通過隔膜向正極遷移。锂離子電(diàn)池就是因锂離子在充放電(diàn)時來回遷移而命名的。
主要性能
LiFePO4電池的标稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於(yú)各個生産廠家採(cǎi)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。例如同一種型号(同一種封裝的标準電池)，其電池的容量有較大差别(10%～20%)。
這裏要說明的是，不同工廠生産(chǎn)的磷酸鐵锂動力電池在各項性能參(cān)數上會有一些差别；另外，有一些電池性能未列入，如電池内阻、自放電率、充放電溫度等。
磷酸鐵锂動力電池的容量有較大差别，可以分成三類：小型的零點(diǎn)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(cān)數也有一些差異。目前應用較廣的小型标準圓柱形封裝的磷酸鐵锂動力電池，其參(cān)數廓尺寸：直徑爲18mm、高650mm(型号爲18650)。
過放電到零電壓試驗
採(cǎi)用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵锂動力電(diàn)池做過放電(diàn)到零電(diàn)壓試驗。試驗條件：用0.5C充電(diàn)率将1100mAh的STL18650電(diàn)池充滿，然後用1.0C放電(diàn)率放電(diàn)到電(diàn)池電(diàn)壓爲0C。再将放到0V的電(diàn)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(diàn)率充滿，然後用1.0C放電(diàn)。結尾比較兩種零電(diàn)壓存放期不同的差别。
試驗的結果是，零電(diàn)壓存放7天後電(diàn)池無洩漏，性能良好，容量爲100%;存放30天後，無洩漏、性能良好，容量爲98%;存放30天後的電(diàn)池再做3次充放電(diàn)循環，容量又恢複(fù)到100%。
這試驗說明該電(diàn)池 即使出現過放電(diàn)(甚至到0V)，並(bìng)存放一定時間，電(diàn)池也不洩漏、損壞。這是其他種類锂離子電(diàn)池不具有的特性。
磷酸鐵锂電池的特點
通過上述介紹，LiFePO4電(diàn)池可歸納下述特點(diǎn)。
高效率輸出：标準放電爲2～5C、連續高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖(chōng)放電(10S)可達(dá)20C；
高溫時性能良好：外部溫度65℃時内部溫度則高達(dá)95℃，電(diàn)池放電(diàn)結束時溫度可達(dá)160℃，電(diàn)池的結構安全、完好；
即使電(diàn)池内部或外部受到傷害，電(diàn)池不燃燒、不碎、安全性比較(jiào)好；
極好的循環壽命，經500次循環，其放電(diàn)容量仍大於(yú)95%；
過放電到零伏也無損壞；
可快速充電；
低成本；
對環境無污染。
磷酸鐵锂動力電池的應用
由於(yú)磷酸鐵锂動力電池具有上述特點，並(bìng)且生産出各種不同容量的電池，很快得到普遍地應用。它主要應用領域有 ：
大型電動車(chē)輛：公交車(chē) 、電動汽車(chē) 、景點(diǎn)遊覽車(chē)及混合動力車(chē)等；
輕型電動車(chē)：電動自行車(chē)、高爾夫球車(chē)、小型平闆電瓶車(chē)、鏟(chǎn)車(chē)、清潔車(chē)、電動輪椅等；
電(diàn)動(dòng)工具 ：電(diàn)鑽、電(diàn)鋸、割草機等；
遙控汽車(chē)、船、飛(fēi)機等玩具；
太陽能及風力發電的儲(chǔ)能設備(bèi)；
UPS及應急燈(dēng)、警示燈(dēng)及礦燈(dēng)(安全性比較(jiào)好)；
替代照相機(jī)中3V的一次性锂電(diàn)池及9V的鎳镉或鎳氫可充電(diàn)電(diàn)池(尺寸完全相同)；
小型醫療(liáo)儀器設備(bèi)及便攜式儀器等。
這裏舉一個用磷酸鐵锂動力電池替代鉛酸電池的應用實例。採(cǎi)用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數約100次，使用時間約1年。若採(cǎi)用磷酸鐵锂動力電池，採(cǎi)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。雖然說磷酸鐵锂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(cǎi)用磷酸鐵锂動力電池更好，並(bìng)且在使用上更輕便。
4.電池性能
锂離子動力電池的性能主要取決於(yú)正負極材料，磷酸鐵锂作爲锂電池材料是近幾年才出現的事，國内開發出大容量磷酸鐵锂電池是2005年7月。其安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動力電池比較重要的技術指标。1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不碎。磷酸鐵锂正極材料做出大容量锂離子電池更易串聯使用。以滿足電動車頻繁充放電的需要。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源普遍、價格便宜，壽命長(zhǎng)等優點，是新一代锂離子電池的理想正極材料。
本項目屬於(yú)高新技術項目中工能性能源材料的開發，是國家“863”計劃、“973”計劃和“十一五”高技術産(chǎn)業發展規劃重點支持的領域。
锂離子電(diàn)池的正極爲磷酸鐵锂材料，其安全性能與循環壽命有較大優勢，這些也正是動力電(diàn)池比較重要的技術指标之一。1C充放循環壽命可做到2000次，穿刺不碎，過充時不容易燃燒和碎。磷酸鐵锂正極材料做出大容量锂離子電(diàn)池更易並(bìng)串聯使用。
5.科研應用
磷酸鐵锂電池
比較近，有關新型電池取得進展、有望取代傳統锂電池的報(bào)道接連不斷，讓我們看到瞭(le)手機、平闆擁有更長續航時間的希望，不過可惜大部分都停留在實驗室研究階段，何時乃至能否大規模投入商用都不好說。
在Deboch TEC.GmbH公布的磷酸鐵锂電池技術白皮書中，在使用複合納米材料後，單節32650規格(直徑32mm/長(zhǎng)度65mm)電芯的能量密度能夠提升到6000mAh，與當前業界32650規格單節5000mAh的規格相比，同等體積提升瞭(le)足足1000mAh，也就是20%之多，1節就能給iPhone 4S手機反複充電差不多4次。
更令人欣喜的是，在單顆低倍率充放電環境下使用，這種電池在循環使用多達3000次後，電量依舊保持在80%左右，而普通锂電池循環充電500次左右就這德行瞭(le)。按照每3天充放電一次計算，可以連續使用24年之久，是名符其實的長(zhǎng)壽電池。
這種新型電池技術可以普遍應用於(yú)便攜移動電源、小型UPS、筆記本電池、汽車電瓶等各種設備，而且針對不同使用環境，Deboch TEC.GmbH還按照循環充電次數的差異使用瞭(le)不同的電芯顔色：面向軍工級的爲金色，循環次數爲3000次；民用汽車領域中使用藍色，2500次；綠色的、2000次的适用於(yú)小型便攜式移動設備。
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