磷酸铁锂电池结构与工作原理介绍

磷酸铁锂电池简介

　　磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。 锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。

　　磷酸铁锂电池结构与工作原理

　　LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

　　图1 LiFePO4电池内部结构

　　LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

　　磷酸铁锂电池的特点

　　高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；

　　高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；

　　即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；

　　极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；

　　过放电到零伏也无损坏；

　　可快速充电；

　　低成本；

　　无记忆效应：可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

　　体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的1/3，重量是铅酸电池的1/3。

　　对环境无污染，该电池不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲ROHS规定，为绝对的绿色环保电池。铅酸电池中却存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，仍将对环境形成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用过程中，均无污染

　　磷酸铁锂电池组装过程

　　关于如何手工焊接软包电池组，演示当中采用的是A123软包铁锂，20AH单体电芯。

　　1、选用合适的电芯，电芯类型，电压，内阻需要匹配，组装前请对电芯做好均衡。

　　剪切电极并打孔。

　　2、依据孔计算好距离，裁制绝缘板。

　　3、上好螺丝，请使用法兰螺母，防止螺帽脱落，上好螺丝连接好，就可以固定住电池组了。

　　4、连接并焊线，连接电压采集线（均衡线）的时候，不要外接保护板，避免保护板意外烧坏。

　　5、绝缘硅胶再次固定，这种硅胶时间长了会固化。。。　　

　　6、安放保护板，如果之前忘记做电芯的均衡，这是电池组装前的最后机会了，可以通过均衡线做均衡。

　　7、再用绝缘板来固定整个电池组，用尼龙胶带封装，尼龙胶带比较耐力，请注意我们一直不使用钢铁材质的外壳，钢铁材质的外壳固然美观坚固，但是电芯结合度很难保障，一些外壳未处理好很可能会划伤电芯造成漏液，甚至因绝缘不好引起事故。

　　8、再整体封装电芯，请务必固定好电芯和保护板，我们的电芯实测1米高度摔下仍然保证正常工作。

　　9、最后的封装完成，输出输入均采用硅胶线。整体因为是铁锂电芯，48V 20AH的电池组，电池组单重9公斤，重量是同等酸体电池的一半。

循环充放电一次就是少一次寿命吗?
循环就是使用,我们是在使用电池,关心的是使用的时间,为了衡量充电电池的到底可以使用多长时间这样一个性能,就规定了循环次数的定义.实际的用户使用千变万化,因为条件不同的试验是没有可比性的,要有比较就必须规范循环寿命的定义. 
国标如是规定锂离子电池的循环寿命测试条件及要求:在25度室温条件下以恒流恒压方式1C的充电制度充电150分钟,以恒流1C的放电制度放电到2.75V截止为一次循环.当有一次放电时间小于36分钟时试验结束,循环次数必须大于300次. 
解释: 
A.这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的 
B.规定了循环寿命按照这个模式执行后必须超过300次以后容量仍然有60%以上 
实际上,不同的循环制度得到的循环次数是截然不同的,比如以上其它的条件不变,仅仅把4.2V的恒压电压改为4.1V的恒压电压对同一个型号的电池进行循环寿命测试,这样这个电池就已经不是深充方式了,最后测试得到循环寿命次数可以提高近60%.那么如果把截止电压提高到3.9V进行测试,其循环次数应该可以增加数倍. 
这个关于循环一次就少一次寿命的说法已经有许多友人进行了讨论,我只是补充说明一下而已,大家在谈论循环次数的时候不能忽视循环的条件, 
●抛开规则谈论循环次数是没有任何意义的,因为循环次数是检测电池寿命的手段,而不是目的!

▲误区:许多人喜欢把手机锂离子电池用到自动关机再充电.这个完全没有必要. 
实际上,用户不可能按照国标测试模式对电池进行使用,没有一个手机会在2.75V才关机,而其放电模式也不是大电流恒流放电,而是GSM的脉冲放电和平时的小电流放电混合的方式. 
有另外一种关于循环寿命的衡量方法,就是时间.有专家提出一般民用的锂离子电池的寿命是2~3年,结合实际的情况,比如以60%的容量为寿命的终止,加上锂离子电池的时效作用(参考第９点),用时间来表述循环寿命我认为更为合理. 
铅蓄电池的充电机理就类似与锂离子电池,是限流限压方式,使用的方式就是浅充浅放,他的寿命表述就是时间,没有次数,比如10年. 
★★★所以,对于锂离子电池,没有必要用到关机再充电,锂离子电池本来就适合用随时充电的方式进行使用,这也是他针对镍氢电池的最大优势之一,请大家善加利用这个特性.

电池记忆效应是指电池的可逆失效,即电池失效后可重新回复的性能.记忆效应是指电池长时间经受特定的工作循环后,自动保持这一特定的倾向.这个最早定义在镍镉电池,镍镉的袋式电池不存在记忆效应,烧结式电池有记忆效应.而现在的镍金属氢(俗称镍氢)电池不受这个记忆效应定义的约束.

因为现代镍镉电池工艺的改进,上述的记忆效应已经大幅度的降低,而另外一种现象替换了这个定义,就是镍基电池的\\\\\\\\\\\\\\\"晶格化\\\\\\\\\\\\\\\",通常情况,镍镉电池受这两种效应的综合影响,而镍氢电池则只受\\\\\\\\\\\\\\\"晶格化\\\\\\\\\\\\\\\"记忆效应的影响,而且影响较镍镉电池的为小.

在实际应用中,消除记忆效应的方法有严格的规范和一个操作流程.操作不当会适得其反. 
对于镍镉电池,正常的维护是定期深放电:平均每使用一个月(或30次循环)进行一次深放电(放电到1.0V/每节,老外称之为exercise),平常使用是尽量用光电池或用到关机等手段可以缓解记忆效应的形成,但这个不是exercise,因为仪器(如手机)是不会用到1.0V/每节才关机的,必须要专门的设备或线路来完成这项工作,幸好许多镍氢电池的充电器都带有这个功能.

对于长期没有进行exercise的镍镉电池,会因为记忆效应的累计,无法用exercise进行容量回复,这时则需要更深的放电(老外称recondiTIon),这是一种用很小的电流长时间对电池放电到0.4V每节的一个过程,需要专业的设备进行.

对于镍氢电池,exercise进行的频率大概每三个月一次即可有效的缓解记忆效应.因为镍氢电池的循环寿命远远低于镍镉电池,几乎用不到recondiTIon这个方法.

▲建议1:每次充电以前对电池放电是没有必要,而且是有害的,因为电池的使用寿命无谓的减短了. 
▲建议2:用一个电阻接电池的正负极进行放电是不可取的,电流没法控制,容易过放到0V,甚至导致串联电池组的电池极性反转.