中心議題:
- 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
- 磷酸鐵鋰電池的放電特性及壽命
- 磷酸鐵鋰電池的使用特點(diǎn)
- 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用狀況
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(dòng)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(dòng)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(dòng)力方面的應(yīng)用,則在名稱中加入“動(dòng)力”兩字,即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動(dòng)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(jià)格也與這些金屬的價(jià)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(gè)特點(diǎn)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(huì)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(cuò),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(dòng)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1LiFePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)
LiFePO4電池在充電時(shí),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(shí)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3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個(gè)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(huì)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%)。
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磷酸鐵鋰動(dòng)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(dòng)力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會(huì)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(dòng)力電池的容量有較大差別,可以分成三類:小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時(shí)、中型的幾十毫安時(shí)、大型的幾百毫安時(shí)。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(dòng)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(dòng)力電池(容量為1100mAh)在不同的放電率時(shí)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(shí),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2STL18650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(shí)放電容量為100%,則在0℃時(shí)的放電容量降為78%,而在-20℃時(shí)降到65%,在+40℃放電時(shí)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。
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圖3STL18650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4STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線
過放電到零電壓試驗(yàn)
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池做過放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)說明該電池即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V),并存放一定時(shí)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(diǎn)
通過上述介紹,LiFePO4電池可歸納下述特點(diǎn)。
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(shí)性能良好:外部溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃,電池放電結(jié)束時(shí)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(dòng)力電池的應(yīng)用
由于磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有上述特點(diǎn),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(dòng)車輛:公交車、電動(dòng)汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動(dòng)力車等;
2輕型電動(dòng)車:電動(dòng)自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動(dòng)輪椅等;
3電動(dòng)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;
6UPS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(gè)用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實(shí)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(shí)間約1年。若采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池,采用同樣的360Wh能量(12個(gè)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(dòng)力電池的價(jià)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(dòng)力電池更好,并且在使用上更輕便。
小型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池
小型磷酸鐵鋰動(dòng)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(gè)英文字母作廠標(biāo),例如型號為×××18650。
結(jié)語
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是一種新型動(dòng)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(dòng)力電池。由于生產(chǎn)時(shí)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(dòng)力電池將更便宜,并且其應(yīng)用將更普遍。