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电池知识

3.2v磷酸锂电池和3.7v锂电池的工作原理是什么?改进磷酸铁锂电池的缺点需要哪些措施?

来源:宝鄂实业    2019-04-14 13:21    点击量:

标准的3.2v磷酸铁锂电池充放电压范围是:2.0-3.8v,正极比容量为125mAH/g,其晶型结构是橄榄石原材料广泛,关键是充电循环次数大于2000次,具有优秀的安全性。更加环保,能够有效减少环境的污染,对比3.7v锂离子电池,小体积3.2v磷酸铁锂电芯有容量较少的缺点,所以目前使用量不高。

 

锂离子电池主要由电极、电解液、隔离层和容器四个基本部分组成。

 

(1)电极由它的极性又分为正极材料和负极材料。最常见的负极材料为石墨;正极材料种类则比较多。


(2)电解液可以分为两类:一类是酸、碱、盐的水溶液;另一类是有机电解质溶液。电解液是正负电极传递锂离子的载体,因此它决定了电池的容量、循环效率、倍率、高低温放电、高温贮存、寿命和安全性等性能[23,24]。有机电解液一般有以下物质组成:溶剂、电解质锂盐和添加剂。常用的有机溶剂有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯,不同的溶剂对电池的各项性能影响很大。如介电常数大的溶剂能降低锂离子之间的引力,充分自由化锂离子;溶剂闪点决定了锂离子的最高工作温度[25,26]。锂离子盐是提供锂离子的物质,它主要有无机盐和有机盐两个系列。添加剂是能显著改善锂离子性能的一种物质。如成膜添加剂能阻止溶剂对电极的破坏,提高电极的嵌锂和脱锂的容量和循环寿命。除此之外还有防过充添加剂、导电率添加剂、阻燃添加剂等。

    (3)隔离层是一层有机物薄膜,膜中有丰富的曲折贯通的微孔。这种微孔可以阻止粒径较大的电解液通过,但粒径较小的锂离子可以自由通过,形成电池内部的通电回路。因此隔离层将正负电极分成两个部分,可以防止电池内部发生短路,起到了隔离作用。

    (4)容器为电池的包装金属外壳,它主要起到了保持电池的外形和保护内部电芯的作用,一般电池的外壳与电芯的正负极相连。
工作原理
    锂离子电池的充放电过程就是Li+在正负极材料的嵌入和脱嵌并伴随着能量的吸收和释放的过程。给锂离子电池充电:Li+从正极材料中脱嵌,经电解液到达负极,吸收电子后嵌入负极材料中形成能量较高嵌入化合物。锂离子电池放电:

    Li+从负极材料中脱嵌并释放电子,Li+经电解液达到正极,吸收电子后嵌入正极材料形成较为稳定的嵌入化合物。

 

 
    锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物,电子只能在正极和负极材料中运动。充放电过程需要锂离子和电子共同作用,这就要求锂离子电极材料具有良好的导电性和离子的扩散能力,以保证在放电过程中电子通过电极极耳迅速传导到外电路,锂离子在负极材料脱嵌后迅速扩散到电解液;电解液中的锂离子被载体送达正极材料,与电子结合形成嵌入化合物。

 

3.2V的磷酸铁锂电池宣称可以解救你的电子产品!平常见到的电池组标称容量都挺高,原因是单体电池并联出更大电压,并联出更大容量。真正的单体电芯容量也就1~3安时吧,正好是普通碱性电池电压的两倍,配合电池形状的占位筒,可以用在各种使用AA电池的数码产品上了!电力更持久!重量更轻!可以用来装闪光灯、鼠标、耳机等很多数码产品里。

但3.2v磷酸铁锂电池主要用于需要更大容量高电压的电动车,新能源客车,通信电源。磷酸铁锂动力电池的容量有较大差别,可以分成三种:小型的零点几到几毫安时、中型的几十毫安时、大型的几百毫安时。不同类型电池的同类参数也有一些差异。近期我们看到一些厂商号称使用“加铁的电芯”作为产品宣传卖点,也就是所谓的磷酸铁锂电池。

磷酸铁锂动力电池组具有以下五大优点:更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属(原材料成本低)、支持快速充电、工作温度范围广且不含钴等贵重元素,原料价格低,且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富,不会有供料短缺的问题,随着开采技术的提高,化学材料行业竞争的兴起,磷酸铁锂的成本也在不断下降,各个数码设备厂家将会更多的采用3.2v磷酸铁锂电池,或许在未来替代3.7v锂电池也会成为可能。1、超长寿命。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右,最高也就500次,而山东海霸能源集团有限公司生产的磷酸铁锂动力电池,循环寿命达到2000次以上,标准充电(5小时率)使用,可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”,最多也就1—1.5年时间,而磷酸铁锂电池在同样条件下使用,将达到7-8年。综合考虑,性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

2、使用安全。磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题,钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸,对消费者的生命安全构成威胁,而磷酸铁锂已经过严格的安全测试,即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。

3、可大电流。2C快速充放电,在专用充电器下,1.5C充电40分钟内即可使电池充满,起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此性能。

4、耐高温。磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

5、大容量

6、无记忆效应

7、绿色环保

磷酸铁锂电池的缺点及改进措施

磷酸铁锂电池也有其缺点:例如磷酸铁锂正极材料的振实密度较小,等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池,因此在微型电池方面不具有优势。 

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领域没有优势,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。

上海宝鄂实业有限公司拥有一支从事锂电池多年、经验丰富的研发团队,我们时刻关注着锂电池在各领域的最新发展和应用,并不断为客户研发出“先进、安全、稳定”的锂电池方案,提供包括18650锂电池、26650锂电池和铁锂电池等多种锂电池服务。