磷酸鐵鋰電池的發(fā)展背景

1、磷酸鐵鋰電池發(fā)展背景11 鋰離子電池概述隨著人們對(duì)二次電池的比容量、比功率、小型化和輕型化以及環(huán)保要求方面的提高，鋰離子電池作為新型綠色能源，以其工作電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、安全性能好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表1），現(xiàn)已廣泛用作移動(dòng)電話(huà)、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等的電源，并在國(guó)防軍工、航天航海、人造衛(wèi)星、小型醫(yī)療儀及軍用通訊設(shè)備中逐步替代傳統(tǒng)的電池。短短十年的迅速發(fā)展，鋰離子電池在小型可充電電池的市場(chǎng)中的占有率已經(jīng)超過(guò)并部分取代了傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳鎘、鎳氫電池，逐漸成為小型二次電池的主流。表1 磷酸鐵鋰電池與其它二次電池性能比較技術(shù)參數(shù)鎳鎘電池鎳氫電池鉛酸電池

2、磷酸鐵鋰電池工作電壓（V）1.21.22.13.2質(zhì)量比能量（Wh/kg）3050508040120體積比能量（Wh/L環(huán)壽命（次）5005004002000單位價(jià)格（RMB/Wh）361.0-1.53-5單位價(jià)格/壽命(1000)6122.5-3.751.5-2.5環(huán)保有毒略有污染有毒無(wú)毒安全性?xún)?yōu)秀好良好優(yōu)秀12 LiFePO4正極材料及鐵鋰電池介紹1.2.1 LiFePO4正極材料及鐵鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱(chēng)。目前市場(chǎng)上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰

3、（LiCoO2）、錳酸鋰(LiMn2O4)，另外還有少數(shù)采用鎳酸鋰(LiNiO2)以及二元/三元聚合物作正極材料的鋰離子電池。近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的磷酸亞鐵鋰電池是用磷酸亞鐵鋰（LiFePO4，簡(jiǎn)稱(chēng)LFP）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。圖1：磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2：磷酸鐵鋰電池工作原理 磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)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(fù)極隔開(kāi)，但鋰離子Li+可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，右邊是由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼

4、、鋁塑復(fù)合膜或塑料殼密閉封裝。由于磷酸鐵鋰先天性的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性(橄欖石結(jié)構(gòu))，特別是在安全性和循環(huán)性能方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以采用磷酸亞鐵鋰正極材料的電池可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)技術(shù)成熟度和市場(chǎng)普及度，磷酸亞鐵鋰電池應(yīng)用可分為三個(gè)階段：第一階段：低端應(yīng)用（表現(xiàn)在儲(chǔ)能領(lǐng)域，目前應(yīng)用較為廣泛）：1 替代照相機(jī)、筆記本鎳鎘/鎳氫等可充電電池；2小型醫(yī)療儀器設(shè)備、便攜式儀器、無(wú)線(xiàn)麥克風(fēng)等； 3、太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備； 4不間斷電源（UPS）及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)； 第二階段：中端應(yīng)用（表現(xiàn)在普通動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域，目前市場(chǎng)正在興起）：1電動(dòng)工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等； 2遙控汽車(chē)、

5、船、飛機(jī)等玩具； 3輕型電動(dòng)車(chē)：電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、高爾夫球車(chē)、小型平板電瓶車(chē)、鏟車(chē)、清潔車(chē)、電動(dòng)輪椅、Segway代步車(chē)等； 第三階段：高端應(yīng)用（表現(xiàn)在高功率動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域，目前市場(chǎng)主要靠政府推動(dòng)）：1大型電動(dòng)車(chē)輛：火車(chē)、公交車(chē)、叉車(chē)、景點(diǎn)游覽車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)車(chē)等。 2、軍事、航天領(lǐng)域：輪船、潛艇、裝甲車(chē)、火箭、太空車(chē)等。 1.2.2 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢(shì)1、使用安全，磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比傳統(tǒng)的過(guò)渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵強(qiáng)，所以結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且不易釋放氧氣，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問(wèn)題，磷酸鐵鋰電池是目前全球唯一絕對(duì)安全的鋰離子電池，在高溫下的穩(wěn)定性可達(dá)400-50

6、0（且在濫用情況下釋放的熱量最少），保證了電池內(nèi)在的高安全性；不會(huì)因過(guò)充、溫度過(guò)高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。2、該電池壽命超長(zhǎng)，循環(huán)使用次數(shù)高，在室溫下1C充放電循環(huán)2000次，容量保持率80以上；是鉛酸電池5倍，鎳氫電池的4倍，是鈷酸鋰電池4倍，是錳酸鋰電池4-5倍左右。3、該電池不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無(wú)毒，無(wú)污染，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在其廢棄后若處理不當(dāng)，仍將對(duì)環(huán)境夠成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無(wú)論在生產(chǎn)及使用中，均無(wú)污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。其他優(yōu)勢(shì)該電池

7、重量很輕，是鉛酸電池的1/3，鎳氫電池的63%；該電池體積小，商品設(shè)計(jì)可輕量化。鉛酸電池的2/3，也較鎳氫電池體積小；該電池單體電壓高，為3.2V，串聯(lián)少，電池組可靠性高；平臺(tái)性能：1C充放電，3.33.0V 平臺(tái)容量達(dá)到93%以上；放電平臺(tái)穩(wěn)定，可作大電流高功率充放電高倍率放電特性：10C充放電效率達(dá)到 96以上，容量保持率90以上，可實(shí)現(xiàn)10C放電；該電池自放電??；無(wú)記憶效應(yīng)。可充電池在經(jīng)常處于充滿(mǎn)不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無(wú)須先放完再充電；該電池快速充電特性?xún)?yōu)，2C快充，半小時(shí)充足95%；工作溫度范圍寬廣（-20-+75），有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350-500，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200左右。表2：各種鋰離子電池性能比較鈷酸鋰 liCo02鎳鈷錳 LiNiCoMn02錳酸鋰 LiMn204磷酸鐵鋰 LiFeP04振實(shí)密度（g/cm3）2.83.02.02.32.22.40.81.4比表面積（m2/g）0.40.60.20.40.40.81220克容量(mAh/g)1351401551651001151301