lifepo4電池工作原理

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lifepo4電池工作原理

發表於 2018-03-02 10:08:10

自鋰離子電池問世以來，圍繞它的研究、開發工作一直不斷地進行著，上世紀90年代末又開發出鋰聚合物電池，2002年後則推出磷酸鐵鋰動力電池。

鋰離子電池內部主要由正極、負極、電解質及隔膜組成。正、負極及電解質材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，並且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數採用氧化錳鋰（LiMn2O4）及氧化鎳鋰（LiNiO2）作正極材料的鋰離子電池，一般將後兩種正極材料的鋰離子電池稱為」鋰錳電池」及」鋰鎳電池」。新開發的磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極的鋰離子電池，它是鋰離子電池家族的新成員。

LiFePO4是一種鋰離子電池正極材料。LiFePO4在自然界是以磷鐵鋰礦形式存在的，其結構穩定、資源豐富、安全性能好、無毒。與傳統的鋰離子電池正極材料LiMn2O4和LiCoO2相比，LiFePO4 原料來源更廣泛、價格更低廉且無環境汙染。環境友好、熱穩定性好、是下一代鋰離子蓄電池正極最有競爭力的材料之一。LiFePO4材料雖然具有許多優良的電化學性能，但是還存在擴散係數小等方面的問題。因而國內外學者在提高LiFePO4的導電能力方面競相展開了研究。

一般鋰離子電池的電解質是液體的，後來開發出固態及凝膠型聚合物電解質，則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池，其性能優於液體電解質的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池的全名應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」。

LiFePO4電池中某電極的工作原理如圖：

（1）放電時，該裝置是原電池，Fe元素化合價由+3價變為+2價，得電子發生還原反應，所以該電極是正極，電極反應式為FePO4+e-+Li+=LiFePO4，

（2）電解含有0.01mol CuSO4和0.01molNaCl的混合溶液100mL，電路中轉移了0.02mol e-，

陽極：2Cl--2e -=Cl2↑，

0.01mol 0.01mol 0.005mol

4OH--4e-=2H2O+O2↑，

0.01mol 0.01mol 0.0025mol

陰極：Cu2++2e-=Cu

0.01mol 0.02mol

所以陽極上生成的氣體在標準狀況下的體積=（0.005mol+0.0025mol）×22.4L/mol=0.168L；

（3）鐵做陽極，碳做陰極電解飽和食鹽水，陽極Fe失電子生成亞鐵離子，則陽極的電極方程式為Fe-2e-=Fe2+，陰極氫離子得電子生成氫氣，則陰極的電極方程式為：2H++2e-=H2↑；溶液中生成Fe2+、H2、和OH-，則電解的總方程式為：Fe+2H2O 通電/.Fe（OH）2↓+H2↑；

FePO4電池的內部結構如圖下圖所示

LiFePO4電池的結構與工作原理

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。

磷酸鐵鋰電池工作原理

上邊是橄欖石（olivine）結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔（aluminium foil）與電池正極連接，左邊是聚合物（polymer）的隔膜（diaphragm），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（carbon）（石墨graphite）組成的電池負極，由銅箔（copper foil）與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質（electrolyte），電池由金屬外殼密閉封裝。

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。

1、電池充電時，Li 從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，然後嵌入石墨晶格中。與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體，再經導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌後，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵，其晶格結構變化如上圖-2。

2、電池放電時，Li 從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，穿過隔膜，再經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然後重新經010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時，電池經導電體流向負極的銅箔集電極，經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。

從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰電池的充放電過程需要鋰離子和電子的共同參與，而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達至平衡。這就要求鋰離子電池的正負電極必須是離子和電子的混合導體，而且其離子導電能力和電子導電能力必須一致。但是眾所周知，磷酸鐵鋰的導電性能很差。而石墨負極的導電性雖然要好一些，但是要實現大倍率放電時，仍然需要改善負極的導電性，使其的電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達至平衡。

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