磷酸鐵鋰電池工作原理

上邊是橄欖石（olivine）結(jié)構(gòu)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(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（carbon）（石墨graphite）組成的電池負(fù)極，由銅箔（copperfoil）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)（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(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。

1、電池充電時，Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)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(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵，其晶格結(jié)構(gòu)變化如上圖-2。

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(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時，電池經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)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(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。

從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰電池的充放電過程需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(dá)至平衡。這就要求鋰離子電池的正負(fù)電極必須是離子和電子的混合導(dǎo)體，而且其離子導(dǎo)電能力和電子導(dǎo)電能力必須一致。但是眾所周知，磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能很差。而石墨負(fù)極的導(dǎo)電性雖然要好一些，但是要實現(xiàn)大倍率放電時，仍然需要改善負(fù)極的導(dǎo)電性，使其的電子導(dǎo)電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達(dá)至平衡。

工作原理

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。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。

意義

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）存儲量較多。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)是挺便宜的。它的另一個特點是對環(huán)境環(huán)保無污染。

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。

結(jié)構(gòu)與工作原理

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。

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。

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%）。

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。

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(shù)也有一些差異。

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(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%。

這試驗說明該磷酸鐵鋰電池即使出現(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。

優(yōu)勢

1、安全性能的改善

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質(zhì)，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(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)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(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。