磷酸铁锂电池详细介绍

2018-12-26      4589 次浏览

磷酸铁锂电池全解


一、磷酸铁锂电池定义


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有很多种,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,而其它正极材料由于多种原因,目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。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。


磷酸铁锂由于具有安全性与循环寿命优势、材料成本的诱惑,正在逐步进入锂离子动力电池市场。


二、磷酸铁锂正极材料


1997年A.K.Padhi首次报导磷酸铁锂(LiFePO4)具有脱嵌锂功能。该材料具有橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料,LiMPO4(M:Mn,Fe,Co,Ni),成为很有潜力的锂离子电池正极材料。磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能,充放电平台十分平稳,充放电过程中结构稳定。同时,该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点,是目前电池界竞相开发研究的热点。


该材料具有发上图所示的晶体结构。


工作电压范围:2.5~3.6V,平台约3.3V,比钴酸锂电池3.7V低一些。


由于该材料导电性差,需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒,或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料,提高材料的电子电导率;或掺杂金属离子来提高导电性。这样材料的密度低,做成电池的体积比容量低,只有180Wh/L(钴酸锂可做到400Wh/L以上),在小电池领域,同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。


三、磷酸铁锂电池及其优缺点


磷酸铁锂的优点:


1、安全。磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。当然它和其它磷酸盐的安全性能也基本一样,用磷酸铁锂做电池,绝对不用担心爆炸问题的存在。


2、稳定性高。包括高温充电的容量稳定性好,储存性能好等。这点是最大的优点,在所有知道的材料中,也是最好的。


3、环保。整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。不像钴是有毒的物质。


4、价格便宜。磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料,这些材料都十分便宜,无战略资源及稀有资源。


磷酸铁锂的缺点:


1、导电性差。这个问题是其最关键的问题。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,这个问题目前已经可以得到完美的解决:就是添加C或其它导电剂。实验室报道可以达到160mAh/g以上的比容量。我们公司生产的磷酸铁锂材料在生产过程中已经添加了导电剂,不需要制作电池时添加。实际上材料应该为:LiFePO4/C,这样一个复合材料。


2、振实密度较低。一般只能达到1.3-1.5,低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。这一缺点决定了它在小型电池如手机电池等没有优势。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。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。


3、目前研究开发还不深入。目前以磷酸铁锂作为正极材料的产业化情况并不乐观。因为还是最近两年发展起来的,所以各方面的研究还需要继续深入。


四、其它


在动力电池领域,由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格,使其一直在动力电池门外徘徊,始终没有完全进入动力电池领域。现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用,但是由于其固有的缺陷,使得其始终没有大批量的进行商业化运作,产品只是在小批量试生产阶段,目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命,极好的安全性能,较好的高温性能,极其低廉的价格,而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等,使其成为最有希望的动力电池材料,其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品,在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者,在未来的20年内可能会取代铅酸电池,成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源,成为二次电池的老大。


现在磷酸铁锂最主要的问题是容量偏低,制造成本偏高,在电池生产上加工困难(制浆,拉浆,辊轧等工序都需要特殊处理,很多企业不能很好的处理)倍率放电不稳定(需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大)而现在电器的使用趋势是小巧型发展,所以对电池也有同样的要求高体积能量密度.从容量上看磷酸铁锂没有前途,在特定的电池领域使用较有优势,如动力电池。


磷酸铁锂振实密度比较低,比表面积很大,需要改变电池先行工艺,而且电池极片的面密度低所以同样型号的电池容量更低。


电解液也需重新开发适用的电解液体系,用现有的成熟电解液难发挥其性能。


另外,由于磷酸铁锂电池的工作电压范围在2.5~3.6V,平台为3.3V左右,没有批量配套的保护线路和充电器,较难在现有的电子设备上发挥出其特性,需要一个整体的行业整合。


产业化方面:


国外做得较早的为是美国Valence(威能)公司和A123(高博)公司,这两家公司都在国内(江苏)有材料生产企业生产磷酸铁锂正极材料,然后采用委托其它电池公司代工生产电池出口。


国内目前已经有很多公司在作测试,研究,小批量试产材料,北大先行,中辉振宇,山西力之源等比较活跃,湖南瑞祥与杉杉公司也在跟进。批量生产电池的企业尚不多,山东海霸能源集团公司宣传较多,有产品上市。

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