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磷酸锂铁电池的优缺点

磷酸锂铁电池的工作原理:

当外部电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,锂离子工i+从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负极,与早就跑过来的电子结合在一起。当电池放电时,机理与充电是刚好是相反的,以LiFePO4为例,其化学反应方程式为:

磷酸锂铁电池的优缺点

充电:LiFePO4 – xLi﹢ – xe- → xFePO4 +(1-x)LiFePO4

放电:FePO4 + xLi﹢ + xe- → xLiFePO4+(l-x)LiFePO4

一、磷酸锂铁电池的优点

1.LiFePO,电池的标称电压是3.2V(稳定的放电平台)、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V;。

2.比容量大,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;

3.工作温度范围宽广(-20℃—+75℃),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℃,电池内部结构安全、完好;

4.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;

5.极好的循环寿命,在100%DOD条件下,可以充放电2000次以上;(原因:磷酸铁锂晶格稳定性好,锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大,故而具有良好的可逆性。存在的不足是电子离子传到率差,不适宜大电流的充放电,在应用方面受阻。解决方法:在电极表面包覆导电材料、掺杂进行电极改性。

6.过放电到零伏也无损坏,零电压存放7天后电池无泄漏,性能良好,容量为100%;存放30天后,无泄漏、性能良好,容量为98%;存放30天后的电池再做3次充放电循环,容量又恢复到100%。

7.可快速充电,自放电少,无记忆效应: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;

8.高能量密度

其理论比容量为170mAh/g,产品实际比容量可超过140mAh/g(0.2C,25℃);

9.安全性

是目前最安全的锂离子电池正极材料;不含任何对人体有害的重金属元素;

10.无记忆效应

11.充电性能

磷酸铁锂正极材料的锂电池,可以使用大倍率充电,最快可在1小时内将电池充满。

原料来源丰富、价廉,环境友好,不含任何对人体有害的重金属元素

12、热稳定性好

磷酸铁锂热稳定性很好,FePO4在210~410C的温度范围内放出的热量仅为210j/g;

LiCoO2充电状态(CoO2)开始分解产生氧气的温度为240℃,放出热量约为1000j/g

13、循环性能好

由于LiFePO4与FePO4结构相似,锂离子脱出/嵌入后,LiFePO4晶体结构几乎不发生重排。

8.低成本;

9.对环境无污染。

二、磷酸锂铁电池的缺点

1.导电性差: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钻酸锂相近的电导特性。

2.锂离子扩散速度慢。目前采取的解决方案主要有纳米化LiFePO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LiFePO的纳米化产业技术。

3.振实密度较低。般只能达到0.8-1.3,低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。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。

4.磷酸铁锂电池低温性能差。在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。

电子导电率低、离子扩散系数低、振实密度不高、合成成本略高

三、磷酸锂铁缺点弥补方法

磷酸锂铁缺点弥补方法有:碳包覆改善电子导电性、添加金属粒子、导电有机物包覆、掺杂金属离子改善电子导电性、合成小粒度材料减少扩散距离、合成粒度可控的类球形颗粒。

1、碳包覆技术

原料混合式加入

(1)直接加入碳:石墨、炭黑、乙炔黑等;

(2)热解后能转变为碳的物质:葡萄糖、蔗糖、白糖、聚丙烯、聚丙烯酰胺、

聚丙烯酸锂、聚乙烯醇、柠檬酸、煤油、β-环糊精、乙醇和酚醛树脂等

2、烧结结束时加入

在磷酸铁锂烧结束后的降温阶段,对其喷洒甲醇,甲醇受热分解碳化,在磷酸铁锂表面形成碳膜

3、添加金属粒子

(1)利用银镜反应在磷酸铁锂表面镀银

(2)直接在混料时加入银或铜的颗粒

4、导电有机物包覆

在磷酸铁锂的表面聚合聚吡咯、聚塞吩、聚苯胺等导电有机物

5、掺杂金属离子

采用球磨混合原料再进行固相合成的方法合成六种掺杂物质Li1-xMxFePO4

(M=Mg、Al、Ti、Zr、Nb、W)。掺杂后材料的电子电导率较LiFePOa的电子电导率提高了8个数量级,室温下达到10-2S·cm-1

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