磷酸铁锂电池的主要特点是什么？
来源：宝鄂实业
2019-06-23 20:29
点击量：次
随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步，人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。继镍镉、镍氢可充电电池之后，在1991年开发出可充电的锂离子电池，1995年又推出性能更好的聚合物锂电池，到2002年后，新型磷酸铁锂电池又问世。
目前市场上的锂离子电池的正极材料主要是氧化钴锂（LiCoO2），另外还有少数采用氧化锰锂（LiMn2O4）及氧化镍锂（LiNiO2）作正极材料。新型磷酸铁锂电池是一种用磷酸铁锂（LiFePO4）作电池正极，用石墨作负极的锂离子电池。它的工作原理与锂离子电池完全相同，是锂离子电池家族中的新成员。
在上述几种锂离子电池正极材料中，以金属元素钴（Co）最贵，并且世界上储藏量不多、其次是镍（Ni）、锰（Mn）较便宜、而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属材料的价格行情一致。因此，LiFePO4电池应是最便宜的。另外它具有放电平台特别平坦、能用大放电率放电（5~10C）、特别安全（不会因过充电、过放电、甚至短路时发生燃烧或爆炸）、循环寿命长、对环境无污染等特点，作为大电流输出的动力电池，它的性能是最佳的。
目前国内已有一些工厂能生产LiFePO4正极材料，有一些工厂已小批量生产各种不同容量的LiFePO4电池（容量从几百mAh到几百Ah）。由于生产时间不长、产量不大，还是初创阶段，因此目前在价格上比同样容量的锂离子电池还贵，但是还供不应求，经常发生缺货。这种现象将在1~2年内得到改进。到那时LiFePO4电池的价格更齐全、质量进一步提高，价格也更便宜，应用将更广泛。
1. LiFePO4电池主要特点
（1）强劲的动力特性
一般锂离子电池的工作放电率为1~1.5C，动力锂电池为2~5C，而LiFePO4电池可在2~10C放电率范围长期工作，甚至于在10秒短时间内可达20C的放电率。采用LiFePO4电池作为动力的汽车有极好的加速性能、用作电动工具手电钻电源时则有高的钻孔速度，并能对硬度较大的材料进行钻孔。
（2）极为平坦的放电平台
（3）循环寿命长
如果采用1C充电率充电、2C放电率放电对锂离子动力电池及LiFePO4电池作循环寿命试验，其结果是：锂离子动力电池做了300个循环后，其放电容量已降到85%；而LiFePO4电池做了500个循环后，其放电容量还大于95%。
如果采用1C充电率充电、5C放电率放电对上述两种电池作循环寿命试验，其结果是：锂离子动力电池做了300个循环，其放电容量已降到60%；而LiFePO4电池做了300个循环放电容量还大于80%。
从上述比较可知：LiFePO4电池在高放电率时也有较长的循环寿命，在一般1C放电率使用时其循环寿命可达1000次以上。
（4）高安全特性
大功率动力电池不能使用PTC及CID一类的保险丝作过流保护，因此安全要靠内部化学成分，即使电池在短路故障发生时也不会产生燃烧及爆炸。同样，电池受外力损伤（甚至用针刺，将电池刺破）也不会燃烧及爆炸。另外，在使用过程中有过充电、过放电时，这对电池会有些损伤，但不漏液、不燃烧、不爆炸。即使充满电的电池，将它放到130℃的热箱中，电池内部温度也达到130℃时也不燃烧、不爆炸。
由于它安全性极好，适合用于易燃、易爆、工作温度较高的场合。例如用LiFePO4电池作矿灯电源是最安全的。
（5）能在低电压带负载放电到0V
有一些性能好的LiFePO4电池，在放电到终止放电压2.0V后还继续放电到电池电压为0V时，对电池性能影响不大。其试验如下：电池以0.5C充满后以1C放电到0V；在电池正负极加一个1W电阻连接起来；将电池分成两组分别放置7天及30天；到期后再按0.5C充满，按1C放电，其两组电池的试验结果是：放置7天的一组，无泄漏、性能良好、放电容量为100%；放置30天的一组，无泄漏，放电容量为98%，经过3次充放电循环，恢复到100%。
（6）对环境无污染
LiFePO4电池对环境无毒，其毒性明显低于LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4为正极材料的锂离子电池。
(7) 价格低
由于LiFePO4有上述特点，因此它发展势头很猛，将在很多领域中逐步取代以氧化钴锂为正极材料的锂离子电池。
日本Eamex正在加紧使该公司开发的大容量电容器产品化。这种电容器是一种混合型电容器，通过在固体高分子电解质膜表面进行镀金处理形成电极。通过改进镀金的方法，增大了电极的比表面积，提高了物理吸附效果。同时还凭借在电解液中使用锂离子产生的电气化学效应提高了能量密度。目前汽车大厂对该电容器所拥有的超过锂离子充电电池的能量密度等表示出了浓厚的兴趣，已经有部分厂商正在探讨实用化问题。
Eamex于2009年6月宣布该公司电容器的单位体积能量密度达到了600Wh/L。600Wh/L这一数值达到了可与高性能锂离子充电电池的能量密度相匹敌的程度。尽管未公布细节，但据悉通过改善镀金处理条件使电极部的比表面积增大到了2万倍，同时还使固体高分子电解质膜的厚度比原来的约60μm减小了一半，仅为31μm。这样单位体积的能量密度就得到了飞跃性提高。由于电极的镀金部的厚度为10μm，因此形成了阴阳两电极与固体高分子膜具有相同厚度的构造。另外，固体高分子等材料也为能量密度的提高做出了贡献。固体高分子电容器与锂离子电容器一样，需要事先进行吸附锂离子的工序（预注入）（Eamex将锂离子注入工序称为活化（Activation）。锂离子电容器在该工序上耗时较长，被公认为难点之一。）。由于所采用的固体高分子具有带负电荷的官能团，因此注入带正电荷的锂离子可很容易地提高静电容量。
“可将电池成本降至1/10”
这种电容器的单位体积功率密度达到了2万W/L，大大超过了现有的电双层电容器。而用于电动汽车和混合动力车的蓄电池时，正好就需要拥有高功率密度，以便提供起步及加速时需要的大功率。为功率密度的提高助一臂之力的是使金属胶体集中到镀金部位上。这是通过调整镀金条件实现的。经过这样的改进，降低了内部电阻，提高了功率密度。在开发之初，电容器的内部电阻大、功率密度低曾一度成为最大难点，现在已达到足以实用的水平。此外，在镀金预处理及电解液注入 方法上也运用了可提高能量密度及功率密度的独自技术与经验。
创下600Wh/L纪录的试验品尽管非常小，只有0.2×0.5cm，但该公司还试制成功了A4尺寸的产品，在确保一定性能的情况下实现大型化，看来并非难事。另外获得600Wh/L的性能时需要优化条件，并不是任何条件下都能获得该性能。尽管如此，平均值仍达到了150Wh/L，“目前该性能已足够。今后将为制造稳定的单元大力开发”（Eamex代表董事濑和信吾）。
虽未公布细节，由薄膜层叠而成的单元也开发成功。该公司推算，在面向电动汽车量产单位重量能量密度为100Wh/kg的电池时，使用该技术的电池有望以2万日元/kWh的成本实施量产。现有锂离子充电电池的价格估计在20万日元/kWh，成本大约只有其1/10。不过，汽车电池要求具有出色的安全性及可靠性。濑和估计，面向笔记本电脑及手机等小型电子产品的电池会更早达到实用水平，并自信地表示“有望2、3年后实用化”。
另一方面，Eamex还对汽车等更大的市场显示出了强烈欲望，表示“将力争2015年前后面向汽车领域实现实用化，并于2020年实施量产”（濑和）。目前该公司正处于安全性验证等工作的关键期，在钉刺试验以及强制施加60V的耐压试验中均未出现发热等问题。温度特性也达到了锂离子充电电池的同等水平。作为实用化的另一难点，该公司还提到了构件的低成本化。今后该公司考虑弃用目前镀金电极部所采用的金，以低价金属材料来代替。而且还打算将固体高分子材料换成低价普通产品，不再采用目前昂贵的氟类树脂，并力争确保同等的性能。
锂离子电池已广泛用于便携式电子产品、电动工具和电动车电源。而以磷酸铁锂为正极材料的锂离子二次电池具有优异的热稳定性和循环充放电性能，被业界称为“最安全的锂电池”，因此在近年来，磷酸铁锂电池备受国内外关注。磷酸铁锂具有稳定、安全、环保等氧化钴锂正极材料难以比拟的优点，完全可以应用到诸如电动汽车、低谷电力储藏、风力与太阳能发电电能储藏、应急于电力储备和车用辅助电源等设备。
在应用过程中供电电源通常由多个单体电池串联组成，以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中，由于单体电池之间的差异，电池组的容量只能达到最弱的电池的容量。在串联电池组中，虽然通过单体电池的电流相同，但是由于其容量不同，电池的放电深度也会不同，容量大的总会欠充欠放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长；容量小的衰减加快、寿命缩短，两者之间的差异会越来越大，最终小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。
通常我们把因单体电池的性能差异而导致的电池组性能降低的现象称为电池匹配失衡。大多数情况下，引起匹配失衡的原因是电池的制作工艺和检测手段的不完善，而不是锂离子电池本身的化学属性变化。即使在生产出电池后进行检测分类再进行组合，也会出现电池匹配失衡的现象。比如：各单体的自放电量不同导致电池组在搁置过程中的容量失衡、单体之间电阻不同导致个别单体在电池组充电过程中过充等。
电池匹配失衡主要表现在两个方面：电池荷电状态失衡（即：所有单体的容量相同，但在电池组制作或搁置过程中，单体的荷电状态不同）和电池容量或能量的失衡。采用电池均衡处理技术便可解决以上两种失衡问题，从而改进串联电池组的电性能。电池荷电态失衡需在电池组初次充、放电时进行均衡调整电池,此后只需在充电期间进行均衡即可，而容量或能量失衡则必须在充、放电过程都进行均衡。
