磷酸鐵鋰電池工作原理與特點(diǎn)
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”。
1 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(diǎn)是對環(huán)境無污染。
作為充電電池的要求是: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。
2 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。
3 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。
表1 磷酸鐵鋰動力電池主要性能參數(shù)
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(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。
表2 小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數(shù)
4 過放電到零電壓試驗(yàn)
采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動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。
5 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)。
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;
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;
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;
極好的循環(huán)壽命,經(jīng)500次循環(huán),其放電容量仍大于95%;
過放電到零伏也無損壞;
可快速充電;
低成本;
對環(huán)境無污染。
6 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(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:
大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動力車等;
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;
電動工具:電鉆、電鋸、割草機(jī)等;
遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具;
太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備;
UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);
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);
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(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。