详解磷酸铁锂电池的缺点及正极材料

锂离子动力的电池的性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂动力电池材料是近几年才出现的事，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜、寿命长等优点，是新一代锂离子电池的理想正极材料。本项目属于高新技术项目中功能性能源材料的开发是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时实际比容量低这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用这是一个主要的问题。但是导电性差目前已经得到比较完美的解决就是添加C或其它导电剂。目前在实际生产过程中通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性A123、烟台卓能正采用这种方法研究表明磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级

 

　　使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性。实验室报道当0.1C充放电时可以达到

 

　　165mAh/g以上的比容量实际达到135-145mAh/g，基本接近钴酸锂的水平，但是锂离子扩

 

　　散速度慢的问题到目前仍然没有得到较好的解决，目前采取的解决方案主要有纳米化

 

　　LiFePO4晶粒，从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离，再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道后一种方法看起来效果并不明显。纳米化已经有较多的研究，但是难以应用到实际的工业生产中，目前只有A123宣称掌握了LiFePO4的纳米化产业技术。

 

　　振实密度较低

 

　　一般只能达到0.8-1.3低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点。所有磷酸铁锂正极材料决定了它在小型电池如手机电池等没有优势所以其使用范围受到一

 

　　定程度的限制

 

　　即使它的成本低、安全性能好、稳定性好、循环次数高、但如果体积太大、也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。

 

　　磷酸铁锂电池低温性能差

 

　　尽管人们通过各种方法，例如锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂增加电子导电性等改善磷酸铁锂的低温性能，但是磷酸铁锂材料的固有特点决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。

 

　　一般情况下，对于单只电芯注意是单只而非电池组，对于电池组而言，实测的低温性能可能会略高，这与散热条件有关而言，其0℃时的容量保持率约60、70-10℃时为40、55-20℃时为2040。

 

　　这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方，改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升但还未真正满足需求。

 

　　电池存在一致性问题

 

　　单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但电池组的寿命会大打折扣，有可能是500次。因为电池组是由大量单体电池串并而成，其工作状态好比一群人用绳子绑在一起跑步，即使每个人都是短跑健将，如果大家的动作一致性不高队伍就跑不快整体速度甚至比跑得最慢的单个选手的速度还要慢。

 

　　电池组同理只有在电池性能高度一致时寿命发挥才能接近单体电池的水平。

 

　　而在现有的条件下由于种种原因，制作出来的电池一致性不佳进而影响到电池的使用性能和整体寿命，因此应用在动力汽车上存在一定障碍。

 

　　磷酸铁锂电池的优缺点

 

　　此外，从研发和生产锂离子电池的经验来看，日本是锂离子电池最早商业化的国家，并且一直占据着高端锂离子电池市场。而美国尽管在一些基础研究上领先，但是到目前为止还没有一家大型锂离子电池生产企业。因此，日本选择改性锰酸锂作为动力型锂离子电池正极材料更有其道理。即使是在美国，利用磷酸铁锂和锰酸锂作为动力型锂离子电池正极材料的厂家也是各占一半，联邦政府也是同时支持这两种体系的研发。鉴于磷酸铁锂存在的上述问题，很难作为动力型锂离子电池的正极材料在新能源汽车等领域获得广泛应用。如果能够解决锰酸锂存在的高温循环与储存性能差的难题，凭借其低成本与高倍率性能的优势，在动力型锂离子电池中的应用将有巨大的潜力。