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意义
在金属交易市场,钴(Co)最贵,并且存储量不多,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的价格行情一致。因此,采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。
作为充电电池的要求是:容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错,特别在大放电率放电(5~10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上,它是最好的,是目前最好的大电流输出动力电池。
结构与工作原理
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。
主要性能
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。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同,其性能上会有些差异。例如同一种型号(同一种封装的标准电池),其电池的容量有较大差别(10%~20%)。
这里要说明的是,不同工厂生产的磷酸铁锂动力电池在各项性能参数上会有一些差别;另外,有一些电池性能未列入,如电池内阻、自放电率、充放电温度等。
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。目前应用较广的小型标准圆柱形封装的磷酸铁锂动力电池,其参数廓尺寸:直径为18mm、高650mm(型号为18650)。
过放电到零电压试验
采用STL18650(1100mAh)的磷酸铁锂动力电池做过放电到零电压试验。试验条件:用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充满,然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组:一组存放7天,另一组存放30天;存放到期后再用0.5C充电率充满,然后用1.0C放电。最后比较两种零电压存放期不同的差别。
试验的结果是,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%。
这试验说明该电池即使出现过放电(甚至到0V),并存放一定时间,电池也不泄漏、损坏。这是其他种类锂离子电池不具有的特性。
磷酸铁锂电池的特点
通过上述介绍,LiFePO4电池可归纳下述特点。
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;
对环境无污染。
磷酸铁锂动力电池的应用
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,很快得到广泛地应用。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。
这里举一个用磷酸铁锂动力电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10Ah(360Wh)的铅酸电池,其重量12kg,充一次电可行走约50km,充电次数约100次,使用时间约1年。若采用磷酸铁锂动力电池,采用同样的360Wh能量(12个10Ah电池串联组成),其重量约4kg,充电一次可行走80km左右,充电次数可达1000次,使用寿命可达3~5年。虽然说磷酸铁锂动力电池的价格较铅酸电池高得多,但总的经济效果还是采用磷酸铁锂动力电池更好,并且在使用上更轻便。
5.电池性能
锂离子动力电池的性能主要取决于正负极材料,磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的事,国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的,这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧,穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜,寿命长等优点,是新一代锂离子电池的理想正极材料。
本项目属于高新技术项目中功能性能源材料的开发,是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。
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。
6.科研应用
磷酸铁锂电池
最近,有关新型电池取得进展、有望取代传统锂电池的报道接连不断,让我们看到了手机、平板拥有更长续航时间的希望,不过可惜大部分都停留在实验室研究阶段,何时乃至能否大规模投入商用都不好说。
在DebochTEC.GmbH公布的磷酸铁锂电池技术白皮书中,在使用复合纳米材料后,单节32650规格(直径32mm/长度65mm)电芯的能量密度能够提升到6000mAh,与当前业界32650规格单节5000mAh的规格相比,同等体积提升了足足1000mAh,也就是20%之多,1节就能给iPhone4S手机反复充电差不多4次。
更令人欣喜的是,在单颗低倍率充放电环境下使用,这种电池在循环使用多达3000次后,电量依旧保持在80%左右,而普通锂电池循环充电500次左右就这德行了。按照每3天充放电一次计算,可以连续使用24年之久,是名符其实的长寿电池。
这种新型电池技术可以广泛应用于便携移动电源、小型UPS、笔记本电池、汽车电瓶等各种设备,而且针对不同使用环境,DebochTEC.GmbH还按照循环充电次数的差异使用了不同的电芯颜色:面向军工级的为金色,循环次数为3000次;民用汽车领域中使用蓝色,2500次;绿色的、2000次的适用于小型便携式移动设备。
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