细数磷酸铁锂电池的优缺点

细数磷酸铁锂电池的优缺点

前段时间在休息,故而没有更新文章,今天主要想讲一下磷酸铁锂电池。

1介绍

磷酸铁锂电池,全称磷酸铁锂锂离子电池,是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,这里讲一下行业内的电池命名规则,现阶段,我们通常用正极材料来给电池命名,负极一般都是用石墨做负极,如三元电池,指的是用做正极材料的NCM或NCA,钴酸锂电池,则是用作正极材料的钴酸锂,同样,磷酸铁锂则是指用于正极的磷酸铁锂材料。

锂离子电池的正极为磷酸铁锂材料,其安全性能与循环寿命有较大优势,这些也正是动力电池最重要的技术指标之一。1C充放循环寿命可做到2000次,穿刺不爆炸,过充时不容易燃烧和爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易并串联使用。从材料的原理上讲,磷酸铁锂也是一种嵌入、脱嵌过程,这一原理与钴酸锂,锰酸锂完全相同。

和铅酸电池比起来,他有着良好的寿命,铅酸电池一般1-1.5年;和镍氢电池比起来,他有着更高的工作电压;和镍镉电池比起来,他有着更好的环境友好性,这也是磷酸铁锂战胜这些电池,掀起一阵锂电风暴的重要原因,虽然现阶段,三元电池的流行,但是由于三元电池存在高能量密度下难以控制的安全性问题,磷酸铁锂电池还处于大规模应用之中,不过,国内电池企业正在把磷酸铁锂电池向大型化发展,采取用高容量磷酸铁锂电池(100AH,甚至200AH的电池)。

2优势

磷酸铁锂电池的主要优势:

安全性能高

磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,难以分解,即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质,磷酸铁锂分解温度约在600℃,因此拥有良好的安全性。虽然在过充情况下,出现过燃烧和爆炸,但其过充安全性较之普通液态电解液钴酸锂电池、三元电池,已大有改善。

长寿命

铅酸电池的循环寿命在300次左右,最高约500次,而磷酸铁锂动力电池,循环寿命达到2000次以上,标准充电(0.2C,5小时)使用,可达到2000次。同质量的铅酸电池则是“新半年、旧半年、修修补补又半年”,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,理论寿命将达到7~8年。综合考虑,性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。大电流放电可大电流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,而铅酸电池无此性能。

高温性能好

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。工作温度范围宽广(-20C--+75C),有耐高温特性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。

容量大

具有比普通电池(铅酸等)更大的容量,通过电池的能力密度就知道,铅酸电池的能量密度约在40WH/kg,市场上主流的磷酸铁锂电池,能量密度均做到90WH/kg以上。

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。像镍氢、镍镉电池存在记忆性,而磷酸铁锂电池无此现象(锂离子类电池一般没有记忆效应),电池无论处于什么状态,可随充随用,无须先放完再充电。

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2/3,重量是铅酸电池的1/3,二能量密度却是铅酸电池的数倍。

环境友好

该电池一般被认为是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,为绿色环保电池。锂电池之所以被业界看好,一个重要的原因是环保考量。

但有一点请正视,锂电池属于新能源行业不错,但它也不能避免重金属污染的问题。金属材料加工中有铅、砷、镉、汞、铬等都有可能会释放到灰尘和水中。电池本身就是一种化学物质,所以有可能会产生两种污染:一是生产工程中的工艺排泄物污染;二是报废以后的电池污染。

其他材料对比

目前最有希望应用于动力型锂离子电池的正极材料主要有改性锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)和镍钴锰酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。镍钴锰酸锂三元材料由于钴的资源缺乏与镍、钴成高和价格波动大等原因,普遍认为很难成为电动汽车用动力型锂离子电池的主流,但可以与尖晶石锰酸锂在一定范围内混合使用。

3缺点

磷酸铁锂电池也有其缺点:例如低温性能差,正极材料振实密度小,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。而用于动力电池时,磷酸铁锂电池和其他电池一样,需要面对电池一致性问题。

单质铁的威胁

在磷酸铁锂制备时的烧结过程中,氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性。单质铁会引起电池的微短路,是电池中最忌讳的物质。这也是日本一直不将该材料作为动力型锂离子电池正极材料的主要原因。

性能缺陷

磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷,如振实密度与压实密度很低,导致锂离子电池的能量密度较低。低温性能较差,即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。磷酸铁锂型锂离子电池测试结果表明表明磷酸铁锂电池在低温下(0℃以下)无法使电动汽车行驶。尽管也有厂家宣称磷酸锂铁电池在低温下容量保持率还不错,但是那是在放电电流较小和放电截止电压很低的情况下,在这种状况下,设备根本就无法启动工作。

制造成本高

材料的制备成本与电池的制造成本较高,电池成品率低,一致性差。磷酸铁锂的纳米化和碳包覆尽管提高了材料的电化学性能,但是也带来了其它问题,如能量密度的降低、合成成本的提高、电极加工性能不良以及对环境要求苛刻等问题。尽管磷酸铁锂中的化学元素Li,Fe与P很丰富,成本也较低,但是制备出的磷酸铁锂产品成本并不低,即使去掉前期的研发成本,该材料的工艺成本加上较高的制备电池的成本,会使得最终单位储能电量的成本较高。

一致性差

产品一致性差。无论是从材料制备,还是从生产制造。都很难保证产品的一致性,且磷酸铁锂的电压平台较窄,更增加了电池的可观测性难度。

知识产权问题

很遗憾的告诉你,磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有,而碳包覆专利被加拿大人所申请。这两个基础性专利是无法绕过去的,如果成本中计算上专利使用费的话,那产品成本将会进一步提高。

4结构和原理

LiFePO4电池的内部结是橄榄石结构的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。


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。一般来讲,LiFePO4电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。

磷酸铁锂动力电池的容量有较大差别,可以分成三类: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。有应用于18650圆柱电池的,也有应用于方形电池的。

5应用

由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点,并且生产出各种不同容量的电池,得到了广泛地应用。它主要应用领域有:

大型电动车辆:公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等;

轻型电动车:电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等;

电动工具:电钻、电锯、割草机等;

遥控汽车、船、飞机等玩具;

太阳能及风力发电的储能设备;

UPS及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好);

替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池(尺寸完全相同);

小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

通过本文,相比你也看到,磷酸铁锂电池作为锂电池界曾经的黑马,方兴未艾,个人认为,现阶段汽车还处于大面积应用阶段,逐渐会进入电动车(电动自行车)和储能市场(储能电站,通讯基站),进入可穿戴领域的可能性不大。但是其能量密度、低温性能等,已经慢慢不能满足市场的需求,到底是新一轮的复兴,还是被三元材料、全固态电池所淘汰,欢迎你我共同交流。

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编辑于 2018-04-23

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