磷酸鐵鋰電池八大缺陷及八大優勢分析

　　什麼是磷酸鐵鋰電池

　　磷酸鐵鋰電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。

　　磷酸鐵鋰電池工作原理

　　磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡稱為磷酸鐵鋰電池。由於它的性能特別適於作動力方面的應用，則在名稱中加入「動力」兩字，即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為「鋰鐵（LiFe）動力電池」。

　　結構與工作原理：

　　LiFePO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

　　圖1LiFePO4電池內部結構

　　LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

　　主要性能：

　　LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於各個生產廠家採用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝的標準電池），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。

　　磷酸鐵鋰動力電池主要性能列於表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這裡要說明的是，不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數上會有一些差別；另外，有一些電池性能未列入，如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。

　　表1磷酸鐵鋰動力電池主要性能參數

　　磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。這裡再介紹一種目前應用較廣的小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm（型號為18650），其參數性能如表2所示。

　　表2小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數

　　過放電到零電壓試驗：

　　採用STL18650（1100mAh）的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然後用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期後再用0.5C充電率充滿，然後用1.0C放電。最後比較兩種零電壓存放期不同的差別。

　　試驗的結果是，零電壓存放7天後電池無洩漏，性能良好，容量為100%；存放30天後，無洩漏、性能良好，容量為98%；存放30天後的電池再做3次充放電循環，容量又恢復到100%。

　　這試驗說明該電池即使出現過放電（甚至到0V），並存放一定時間，電池也不洩漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

　　磷酸鐵鋰電池八大優勢 　　1、安全性能的改善

　　磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發現有小部分樣品出現燃燒現象，但未出現一例爆炸事件，而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電，發現依然有爆炸現象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。

　　2、壽命的改善

　　磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。

　　長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質量的鉛酸電池是「新半年、舊半年、維護維護又半年」，最多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，起動電流可達2C，而鉛酸電池現在無此性能。

　　3、高溫性能好

　　磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度範圍寬廣（-20C--+75C），有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

　　4、大容量

　　具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量。5AH-1000AH（單體）

　　5、無記憶效應

　　可充電池在經常處於充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低於額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

　　6、重量輕

　　同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。

　　7、環保

　　該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無毒（SGS認證通過），無汙染，符合歐洲RoHS規定，為絕對的綠色環保電池證。所以鋰電池之所以被業界看好，主要是環保考量，因此該電池又列入了「十五」期間的「863」國家高科技發展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。隨著中國加入WTO，中國電動自行車的出口量將迅速增大，而現在進入歐美的電動自行車已要求配備無汙染電池。

　　但有專家表示，鉛酸電池造成的環境汙染，主要發生在企業不規範的生產過程和回收處理環節。同理，鋰電池屬於新能源行業不錯，但它也不能避免重金屬汙染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學物質，所以有可能會產生兩種汙染：一是生產工程中的工藝排洩物汙染；二是報廢以後的電池汙染。

　　磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大於鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢。而用於動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。

　　8、可大電流快速放電

　　可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，起動電流可達2C，而鉛酸電池現在無此性能。

　　磷酸鐵鋰電池的八大缺陷

　　一種材料是否具有應用發展潛力，除了關注其優點外，更為關鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。

　　國內目前普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機構、企業甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料，將其作為動力型鋰離子電池的發展方向。分析其原因，主要有下列兩點：首先是受到美國研發方向的影響，美國Valence與A123公司最早採用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內一直沒有製備出可供動力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環與儲存性能的錳酸鋰材料。但磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結起來主要有以下幾點：

　　1、一致性差。電池組壽命明顯低於單體。和其他電池相比磷酸鐵鋰電池組壽命沒有明顯優勢。在二手市場有大量未達到預期壽命就淘汰下來的電池組。

　　2、存在安全隱患。電池製造和循環的過程中會產生單質鐵，鐵累積容易使電池隔膜刺穿，內部短路的風險高

　　3、不耐濫用。和鉛酸相比，正極材料導電能力差，內阻高。過充電接受能力低，啟動性能遠不如鉛酸

　　4、低溫性能不好。低於0度時容量下降快，在低溫下循環性能極差

　　5、能量密度低振實密度低

　　6、同重量體積下容量低，不適合做小單體

　　7、體積大、重量大

　　8、價格貴，工藝成本高，專利費貴

　　磷酸鐵鋰電池在通信行業中的應用

　　磷酸鐵鋰電池的應用領域比較廣泛，包括公交車、電動汽車、景點遊覽車及混合動力車等大型電動車輛，電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等輕型電動車，電鑽、電鋸、割草機等電動工具，小型醫療儀器設備及可攜式儀器等。在通信行業，磷酸鐵鏗電池定位於小型化、分散化、信行業主流電池廠家均供電系統和Ups交流供已開發出自己的磷酸鐵銼電池產品環境惡劣的場景，可作為鉛酸電池的有效補充通，榮來那個從10到5OAh，供電系統有48V直流電系統，安裝方式有嵌入式和壁掛式等多種方式，應用場景包括戶外、樓道、弱電並等，供電設備包括末端傳輸設備、直接放站時而被、RRu等。

　　磷酸鐵鋰電池的發展方向

　　燃料電池、釩電池等未來電池技術尚未成熟，鋰電池作為新一代電池技術的代表，已成功走向市場，開啟了規模化的商業應用。國家「十二五「計劃已將鏗電池作為未來電池技術的重點發展方向。2009年4月29日《通信用後備式鏗離子電池組》技術標準儀徵市發布。我國現在已有一些工廠生產磷酸鐵鋰電池正極材料及不同容量的磷酸鐵鋰電池。未來磷酸鐵鋰電洲容會更便宜，並且其應用將更普遍，將是未來動力電池市場的主流。

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