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磷酸鐵鋰電池的優點和缺點分別是什么

鉅大LARGE  |  點擊量:9409次  |  2018年05月22日  

摘要
 1、磷酸鐵鋰電池介紹   磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池,一個主要用途是用作動力電池,相對NI-MH、Ni-Cd電池有很大優勢。

1、磷酸鐵鋰電池介紹


磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池,一個主要用途是用作動力電池,相對NI-MH、Ni-Cd電池有很大優勢。


磷酸鐵鋰電池充放電效率相對高一些,在85%-90%之間。而鉛酸電池約為80%。


2、磷酸鐵鋰電池的優缺點


(1)磷酸鐵鋰電池的優點


安全性能的改善


磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰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,但未出現一例爆炸事件,而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電,發現依然有爆炸現象。雖然如此,其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池,已大有改善。


壽命的改善


磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。


長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右,最高也就500次,而磷酸鐵鋰動力電池,循環壽命達到2000次以上,標準充電(5小時率)使用,可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”,最多也就1~1.5年時間,而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用,理論壽命將達到7~8年。綜合考慮,性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電,在專用充電器下,1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿,起動電流可達2C,而鉛酸電池現在無此性能。


高溫性能好


磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C),有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。


大容量


具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。5AH-1000AH(單體)


無記憶效應


可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作,容量會迅速低于額定容量值,這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性,而磷酸鐵鋰電池無此現象,電池無論處于什么狀態,可隨充隨用,無須先放完再充電。


重量輕


同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3,重量是鉛酸電池的1/3。


環保


該電池一般被認為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,為絕對的綠色環保電池證。所以鋰電池之所以被業界看好,主要是環??剂?,因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃,成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。隨著中國加入WTO,中國電動自行車的出口量將迅速增大,而現在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范的生產過程和回收處理環節。同理,鋰電池屬于新能源行業不錯,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、鎘、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,所以有可能會產生兩種污染:一是生產工程中的工藝排泄物污染;二是報廢以后的電池污染。


磷酸鐵鋰電池也有其缺點:例如低溫性能差,正極材料振實密度小,等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池,因此在微型電池方面不具有優勢。而用于動力電池時,磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣,需要面對電池一致性問題。


動力電池的對比


目前最有希望應用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因,普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流,但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內混合使用。


行業應用


涂碳鋁箔為鋰電產業帶來技術革新和產業提升


提升鋰電產品性能,改善放電倍率


隨著國內電池廠商對電池性能要求的日益提高,國內普遍認同新能源電池材料:導電材料&導電涂層鋁箔/銅箔。


其優勢在于:在處理電池材料的時候,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,衰減較為嚴重等原因,不得不做取舍放棄。


產品應用,高爾夫球包車電池組中中


這是個神奇的涂層,將電池的性能提高,帶入新紀元。


導電涂層是由分散好的納米導電石墨包覆顆粒等所組成。它能提供極佳的靜態導電性能,是一層保護能量吸收層。它也能提供好的遮蓋防護性能。涂層有水性的和溶劑性的,能應用在鋁片,銅片,不銹鋼,鋁和鈦雙極板上。


涂碳涂層對鋰電池的性能帶來以下提升


a.降低電池內阻,抑制充放電循環過程中的動態內阻增幅;


b.顯著提高電池組的一致性,降低電池組成本;


c.提高活性材料和集流體的粘接附著力,降低極片制造成本;


d.減小極化,提高倍率性能,減低熱效應;


e.防止電解液對集流體的腐蝕;


f.綜合因子進而延長電池使用壽命;


g.涂層厚度:常規單面厚1~3μm。


日本和韓國目前主要開發以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動力型鋰離子電池,美國主要開發以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰離子電池,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鋰離子電池,并且據說美國A123公司在考慮進軍錳酸鋰材料領域,而德國等歐洲國家主要采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聯盟、德國大眾與日本三洋協議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發和生產動力型鋰離子電池。


(2)磷酸鐵鋰電池的缺點


一種材料是否具有應用發展潛力,除了關注其優點外,更為關鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。


國內目前普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰離子電池的正極材料,從政府、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,將其作為動力型鋰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公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內一直沒有制備出可供動力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環與儲存性能的錳酸鋰材料。但磷酸鐵鋰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、在磷酸鐵鋰制備時的燒結過程中,氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質鐵的可能性。單質鐵會引起電池的微短路,是電池中最忌諱的物質。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因。


2、磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷,如振實密度與壓實密度很低,導致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差,即使將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DonHillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時候,他用terrible來形容,他們對磷酸鐵鋰型鋰離子電池測試結果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無法使電動汽車行駛。盡管也有廠家宣稱磷酸鋰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,設備根本就無法啟動工作。


3、材料的制備成本與電池的制造成本較高,電池成品率低,一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學性能,但是也帶來了其它問題,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。盡管磷酸鐵鋰中的化學元素Li,Fe與P很豐富,成本也較低,但是制備出的磷酸鐵鋰產品成本并不低,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,會使得最終單位儲能電量的成本較高。


4、產品一致性差。目前國內還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說,磷酸鐵鋰的合成反應是一個復雜的多相反應,有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽,外加碳的前驅體以及還原性氣相。在這一復雜的反應過程中,很難保證反應的一致性。


5、知識產權問題。最早的有關磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日由FXMITTERMAIER&SOEHNEOHG(DE)獲得,并于同年8月19日公布申請結果。磷酸鐵鋰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,那產品成本將會進一步提高。


此外,從研發和生產鋰離子電池的經驗來看,日本是鋰離子電池最早商業化的國家,并且一直占據著高端鋰離子電池市場。而美國盡管在一些基礎研究上領先,但是到目前為止還沒有一家大型鋰離子電池生產企業。因此,日本選擇改性錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國,利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半,聯邦政府也是同時支持這兩種體系的研發。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問題,很難作為動力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車等領域獲得廣泛應用。如果能夠解決錳酸鋰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,在動力型鋰離子電池中的應用將有巨大的潛力。


3、磷酸鐵鋰電池工作原理與特點


磷酸鐵鋰電池的全名應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”。


意義


截止本人增補此詞條(2013年4月24日),金屬交易市場,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是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。


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爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。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)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力電池。


結構與工作原理


LiFePO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的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。


主要性能


LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產廠家采用的正、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。例如同一種型號(同一種封裝的標準電池),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,不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數上會有一些差別;另外,有一些電池性能未列入,如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。


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也有一些差異。這里再介紹一種目前應用較廣的小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數。其外廓尺寸:直徑為18mm、高650mm(型號為18650),其參數性能如表2所示。


過放電到零電壓試驗


采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件: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。


試驗的結果是,零電壓存放7天后電池無泄漏,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,容量又恢復到100%。


這試驗說明該電池即使出現過放電(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。


磷酸鐵鋰電池的特點


通過上述介紹,LiFePO4電池可歸納下述特點。


高效率輸出:標準放電為2~5C、連續高電流放電可達10C,瞬間脈沖放電(10S)可達20C;


高溫時性能良好:外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃,電池放電結束時溫度可達160℃,電池的結構安全、完好;


即使電池內部或外部受到傷害,電池不燃燒、不爆炸、安全性最好;


極好的循環壽命,經500次循環,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;


對環境無污染。


磷酸鐵鋰動力電池的應用


由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點,并且生產出各種不同容量的電池,很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有:


大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點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、割草機等;


遙控汽車、船、飛機等玩具;


太陽能及風力發電的儲能設備;


UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);


替代照相機中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);


小型醫療儀器設備及便攜式儀器等。


這里舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應用實例。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。雖然說磷酸鐵鋰動力電池的價格較鉛酸電池高得多,但總的經濟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。


4、磷酸鐵鋰電池性能


鋰離子動力電池的性能主要取決于正負極材料,磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現的事,國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是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最重要的技術指標。1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒,穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰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、原材料來源廣泛、價格便宜,壽命長等優點,是新一代鋰離子電池的理想正極材料。


本項目屬于高新技術項目中功能性能源材料的開發,是國家“863”計劃、“973”計劃和“十一五”高技術產業發展規劃重點支持的領域。


鋰離子電池的正極為磷酸鐵鋰材料,其安全性能與循環壽命有較大優勢,這些也正是動力電池最重要的技術指標之一。1C充放循環壽命可做到2000次,穿刺不爆炸,過充時不容易燃燒和爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易并串聯使用。


5、磷酸鐵鋰電池科研應用


最近,有關新型電池取得進展、有望取代傳統鋰電池的報道接連不斷,讓我們看到了手機、平板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?,F在,新能源公司DebochTEC.GmbH又帶來了一種更接近現實的新能源技術:含鐵的鋰電池。


DebochTEC.GmbH公布的磷酸鐵鋰電池技術白皮書顯示,在使用復合納米材料后,單節32650規格(直徑32mm/長度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,同等體積提升了足足1000mAh,也就是20%之多,1節就能給iPhone4S手機反復充電差不多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次后,電量依舊保持在80%左右,而普通鋰電池循環充電500次左右就這德行了。按照每3天充放電一次計算,可以連續使用24年之久,是名符其實的長壽電池。


這種新型電池技術可以廣泛應用于便攜移動電源、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,DebochTEC.GmbH還按照循環充電次數的差異使用了不同的電芯顏色:面向軍工級的為金色,循環次數為3000次;民用汽車領域中使用藍色,2500次;綠色的、2000次的適用于小型便攜式移動設備。

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