為您剖析磷酸鐵鋰電池的兩面性

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有很多種，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，而其它正極材料由于多種原因，目前在市場上還沒有大量生產(chǎn)。磷酸鐵鋰也是其中一種鋰離子電池。從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入/脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰完全相同。

磷酸鐵鋰電池是用來做鋰離子二次電池的，現(xiàn)在主要方向是動力電池，相對NI-H,Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢。

磷酸鐵鋰動力電池七大優(yōu)勢:

一、超長壽命，長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而山東海霸能源集團有限公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)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(zhì)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，將達到7-8年。綜合考慮，性能價格比將為鉛酸電池的4倍以上。

二、使用安全，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸。

三、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(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達2C,而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。

四、耐高溫，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。

五、大容量。

六、無記憶效應(yīng)。

七、綠色環(huán)保。

磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，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(yōu)勢。

鋰離子動力的電池的性能主要取決于正負極材料，磷酸鐵鋰作為鋰動力電池材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國內(nèi)開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環(huán)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(shù)指標。1C充放循環(huán)壽命達2000次。單節(jié)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(lián)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(yōu)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(shù)項目中功能性能源材料的開發(fā)，是國家“863”計劃、“973”計劃和“十一五”高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點支持的領(lǐng)域。

導(dǎo)電性差、鋰離子擴散速度慢。

高倍率充放電時，實際比容量低，這個問題是制約磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個難點。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應(yīng)用，這是一個主要的問題。但是，導(dǎo)電性差目前已經(jīng)得到比較完美的解決：就是添加C或其它導(dǎo)電劑。目前在實際生產(chǎn)過程中通過在前驅(qū)體添加有機碳源和高價金屬離子聯(lián)合摻雜的辦法來改善材料的導(dǎo)電性(A123、煙臺卓能正采用這種方法)，研究表明，磷酸鐵鋰的電導(dǎo)率提高了7個數(shù)量級，使磷酸鐵鋰具備了和鈷酸鋰相近的電導(dǎo)特性。實驗室報道當0.1C充放電時，可以達到165mAh/g以上的比容量，實際達到135-145mAh/g，基本接近鈷酸鋰的水平;但是鋰離子擴散速度慢的問題到目前仍然沒有得到較好的解決，目前采取的解決方案主要有納米化LiFePO4晶粒，從而減少鋰離子在晶粒中的擴散距離，再者就是摻雜改善鋰離子的擴散通道，后一種方法看起來效果并不明顯。納米化已經(jīng)有較多的研究，但是難以應(yīng)用到實際的工業(yè)生產(chǎn)中，目前只有A123宣稱掌握了LiFePO4的納米化產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

振實密度較低。

一般只能達到0.8-1.3，低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的很大缺點。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機電池等沒有優(yōu)勢，所以其使用范圍受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取代鈷酸鋰。但這一缺點在動力電池方面不會突出。因此，磷酸鐵鋰主要是用來制作動力電池。

磷酸鐵鋰電池低溫性能差。

盡管人們通過各種方法(例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能，通過改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等)改善磷酸鐵鋰的低溫性能，但是磷酸鐵鋰材料的固有特點，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。一般情況下，對于單只電芯(注意是單只而非電池組，對于電池組而言，實測的低溫性能可能會略高，這與散熱條件有關(guān))而言，其0℃時的容量保持率約60～70%，-10℃時為40～55%，-20℃時為20～40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動力電源的使用要求。當前一些廠家通過改進電解液體系、改進正極配方、改進材料性能和改善電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等使磷酸鐵鋰的低溫性能有所提升，但還未真正滿足需求。

電池存在一致性問題。

單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命會大打折扣，有可能是500次。因為電池組是由大量單體電池串并而成，其工作狀態(tài)好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個人都是短跑健將，如果大家的動作一致性不高，隊伍就跑不快，整體速度甚至比跑得最慢的單個選手的速度還要慢。電池組同理，只有在電池性能高度一致時，壽命發(fā)揮才能接近單體電池的水平。而在現(xiàn)有的條件下，由于種種原因，制作出來的電池一致性不佳，進而影響到電池的使用性能和整體壽命，因此應(yīng)用在動力汽車上存在一定障礙。

影響磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品一致性的因素主要有三點：

1)原材料的品質(zhì)：特別是磷酸鐵鋰材料系新生事物，其制造設(shè)備、合成工藝都不安全成熟、品質(zhì)易出現(xiàn)波動，導(dǎo)致電池產(chǎn)品一致性受到影響。

2)生產(chǎn)環(huán)境：磷酸鐵鋰電池做誒一個化工原料眾多、工藝繁雜的高科技產(chǎn)品，其生產(chǎn)環(huán)境對溫度、濕度、粉塵等都有很高的要求，如果沒有控制到位，電池品質(zhì)將出現(xiàn)波動。

3)制造設(shè)備：生產(chǎn)過程中手工的成分越少、設(shè)備自動化程度越高，電池一致性越好。

因此，磷酸鐵鋰電池要做到一致性好，關(guān)鍵是：

1)原材料的把握;

2)精密的電池生產(chǎn)設(shè)備;

3)對工藝制作及流程的關(guān)鍵位有精細的控制模式;

還有重要一點的是，配料過程的控制，特別是漿料的均勻一致性特別重要，在每個步驟都要做到充分均勻。也就是說，只要生產(chǎn)工藝實現(xiàn)標準化，磷酸鐵鋰電池的一致性問題可以得到有效解決。

制造成本高。磷酸鐵鋰具有安全性、環(huán)保性、循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)點是毋庸置疑的，但目前的制造成本相對鉛酸電池、錳酸鋰電池要高，主要是工藝和技術(shù)方面的原因，致使材料的產(chǎn)能和良率不高。但通過合適的制備設(shè)備、制備工藝和元素摻雜的方法，這一問題可以得到有效解決。