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磷酸铁锂动力电池特性及应用


磷酸铁锂动力电池特性及应用
自锂离子电池问世以来,围绕它的研究、开发工作一直不断地进行着,上世纪 90 年代末又 开发出锂聚合物电池,2002 年后则推出磷酸铁锂动力电池。 锂离子电池内部主要由正

极、负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的 性能,并且有不同的名称。目前市场上的锂离子电池正极材料主要是氧化钴锂(

LiCoO2), 另外还有少数采用氧化锰锂(LiMn2O4)及氧化镍锂(LiNiO2)作正极材料的锂离子电池,一般 将后两种正极材料的锂离子电池称为“锂锰电池”及“锂镍电池”。新开发的磷酸铁锂动力电池 是用磷酸铁锂(LiFePO4)材料作电池正极的锂离子电池,它是锂离子电池家族的新成员。 一般锂离子电池的电解质是液体的, 后来开发出固态及凝胶型聚合物电解质, 则称这种 锂离子电池为锂聚合物电池,其性能优于液体电解质的锂离子电池。 磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池,这名字太长,简称为磷酸铁锂电池。由 于它的性能特别适于作动力方面的应用, 则在名称中加入“动力”两字, 即磷酸铁锂动力电池。 也有人把它称为“锂铁(LiFe)动力电池”。 采用 LiFePO4 材料作正极的意义 目前用作锂离子电池的正极材料主要有:LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2 及 LiFePO4。这 些组成电池正极材料的金属元素中, 钴(Co)最贵, 并且存储量不多, 镍(Ni)、 锰(Mn)较便宜, 而铁(Fe)最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此,采用 LiFePO4 正 极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。 作为可充电电池的要求是:容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳 定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作 不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用 LiFePO4 作 正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错,特别在大放电率放电(5~10C 放电)、放电 电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上,它是最好的, 是目前最好的大电流输出动力电池。 LiFePO4 电池的结构与工作原理 LiFePO4 电池的内部结构如图 1 所示。 左边是橄榄石结构的 LiFePO4 作为电池的正极, 由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子 Li+可以通 过而电子 e-不能通过,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。电池 的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。

图 1 LiFePO4 电池内部结构 LiFePO4 电池在充电时,正极中的锂离子 Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程 中,负极中的锂离子 Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁 移而命名的。 LiFePO4 电池主要性能 LiFePO4 电池的标称电压是 3.2 V、终止充电电压是 3.6V、终止放电压是 2.0V。由于 各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同,其性能上会有些差异。 例如同一种型号(同一种封装的标准电池),其电池的容量有较大差别(10%~20%)。 磷酸铁锂动力电池主要性能列于表 1。为了与其他可充电电池的相比较,也在表中列出 其他种类可充电电池性能。 这里要说明的是, 不同工厂生产的磷酸铁锂动力电池在各项性能 参数上会有一些差别;另外,有一些电池性能未列入,如电池内阻、自放电率、充放电温度 等。

磷酸铁锂 动力电池的容量有较大差别, 可以分成三类: 小型的零点几到几毫安时、 中型的几十毫安时、 大型的几百毫安时。 不同类型电池的同类参数也有一些差异。 这里再介绍一种目前应用较广 的小型标准圆柱形封装的磷酸铁锂动力电池的参数。其外廓尺寸:直径为 18mm、高 650mm(型号为 18650),其参数性能如表 2 所示。

典型的放电特性及寿命 一种型号为 STL18650 的磷酸铁锂动力电池(容量为 1100mAh)在不同的放电率时其放 电特性如图 2 所示。最小的放电率为 0.5C,最大的放电率为 10C,五种不同的放电率形成 一组放电曲线。由图 2 中可看出,不管哪一种放电率,其放电过程中电压是很平坦的(即放 电电压平稳,基本保持不变),只有快到终止放电电压时,曲线才向下弯曲(放电量达到 800mAh 以后才出现向下弯曲)。在 0.5~10C 的放电率范围内,输出电压大部分在 2.7~ 3.2V 范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。


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