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淺析磷酸鐵鋰離子電池的結構和工作原理

鉅大LARGE  |  點擊量:212次  |  2021年03月01日  

摘要
磷酸鐵鋰電池結構與工作原理  磷酸鐵鋰電池左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極,由鋁箔與電池正極連接。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。中間是聚合物的隔膜,它把正極與

磷酸鐵鋰離子電池結構與工作原理


磷酸鐵鋰離子電池左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極,由鋁箔與電池正極連接。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。中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰離子電池在充電時,正極中的鋰離子通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子通過隔膜向正極遷移。上邊是橄欖石(olivine)結構的LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔(aluminiumfoil)與電池正極連接,左邊是聚合物(polymer)的隔膜(diaphragm),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(carbon)(石墨graphite)組成的電池負極,由銅箔(copperfoil)與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(electrolyte),電池由金屬外殼密閉封裝。


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。


電池充電時,Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面,在電場力的用途下,進入電解液,穿過隔膜,再經電解液遷移到石墨晶體的表面,然后嵌入石墨晶格中。與此同時,電子經導電體流向正極的鋁箔集電極,經極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體,再經導電體流到石墨負極,使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后,磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵,其晶格結構變化如上圖-2。


電池放電時,Li從石墨晶體中脫嵌出來,進入電解液,穿過隔膜,再經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新經010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時,電池經導電體流向負極的銅箔集電極,經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體,再經導電體流到磷酸鐵鋰正極,使正極的電荷達至平衡。


從磷酸鐵鋰離子電池的工作原理可知,磷酸鐵鋰離子電池的充放電過程要鋰離子和電子的共同參與,而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達至平衡。這就要求鋰離子電池的正負電極必須是離子和電子的混合導體,而且其離子導電能力和電子導電能力必須一致。但是眾所周知,磷酸鐵鋰的導電性能很差。而石墨負極的導電性雖然要好一些,但是要實現大倍率放電時,仍然要改善負極的導電性,使其的電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達至平衡。


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