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磷酸鐵鋰電池
欄目：電池百科
發布時間：2024-03-25
磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。
磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。
充電過程中，磷酸鐵鋰中的部分鋰離子脫出，經電解質傳遞到負極，嵌入負極碳材料；同時從正極釋放出電子，自外電路到達負極，維持化學反應的平衡。放電過程中，鋰離子自負極脫出，經電解質到達正極，同時負極釋放電子，自外電路到達正極，為外界提供能量。
磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應的優點。
1.簡介
在LiFePO4的晶體結構中，氧原子呈六方緊密堆積排列。PO43-四面體和FeO6八面體構成晶體的空間骨架，Li和Fe占據八面體空隙，而P占據四面體空隙，其中Fe占據八面體的共角位置，Li占據八面體的共邊位置。FeO6八面體在晶體的bc面上相互連接，b軸方向上的LiO6八面體結構相互連接成鏈狀結構。1個FeO6八面體與2個LiO6八面體和1個PO43-四面體共棱。
由于FeO6共邊八面體網絡不連續，致使不能形成電子導電；同時，PO43-四面體限制了晶格的體積變化，影響了Li+的脫嵌和電子擴散，導致LiFePO4正極材料電子導電率和離子擴散效率極低。
LiFePO4電池的理論比容量較高（約為170mAh/g），放電平臺是3.4V。Li+在正負兩極之間往返脫-嵌實現充放電，充電時發生氧化反應，Li+從正極遷出，經電解液嵌入負極，鐵從Fe2+變成Fe3+，發生氧化反應。
2.電池結構特點
磷酸鐵鋰電池左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極，由鋁箔與電池正極連接。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。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。
3.電池充放電原理
磷酸鐵鋰電池的充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。
電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然后穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨晶格中。
與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，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后，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵。
電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，然后穿過隔膜，經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。
與此同時，電子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。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體后，磷酸鐵轉化為磷酸鐵鋰。
4.磷酸鐵鋰電池的特點
能量密度較高
據報道，2018年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在160Wh/kg左右，2019年一些優秀的電池廠家大概能做到175-180Wh/kg的水平，個別厲害的廠家采用疊片工藝、容量做得大些，或能做到185Wh/kg。
安全性能好
磷酸鐵鋰電池正極材料電化學性能比較穩定， 這決定了它具有著平穩的充放電平臺，因此，在充放電過程中電池的結構不會發生變化，不會燃燒爆炸，并且即使在短路、過充、擠壓、針刺等特殊條件下，仍然是非常安全的。
循環壽命長
磷酸鐵鋰電池1C循環壽命普遍達2000次，甚至達到3500次以上，而對于儲能市場要求達到4000-5000次以上，保證8-10年的使用壽命，高于三元電池1000多次的循環壽命，而長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右。
5.磷酸鐵鋰的合成
磷酸鐵鋰的合成工藝已基本完善，主要分為固相法和液相法。其中以高溫固相反應法最為常用，也有研究者將固相法中的微波合成法及液相法中的水熱合成法結合使用——微波水熱法。
另外，磷酸鐵鋰的合成方法還包括仿生法、冷卻干燥法、乳化干燥法、脈沖激光沉積法等，通過選擇不同的方法，合成粒度小、分散性能好的產物，可以有效縮短Li+的擴散路徑，兩相間的接觸面積增大，Li+的擴散速度加快。
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