磷酸铁锂电池 是指以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池。 锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。
锂离子电池正极为磷酸铁锂材料，在安全性能和循环寿命方面具有很大优势，这也是动力电池最重要的技术指标之一。 1C充放电循环寿命可达到2000次，穿刺不爆炸，过充不易燃烧爆炸。 磷酸铁锂正极材料使大容量锂离子电池更易于串联使用。
磷酸铁锂电池是指以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池。 锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，其中钴酸锂是绝大多数锂离子电池使用的正极材料. 就材料原理而言，磷酸铁锂也是一个嵌入和脱嵌过程，与钴酸锂和锰酸锂完全一样。
磷酸铁锂电池是一种锂离子二次电池，主要用途之一是动力电池，与镍氢和镍镉电池相比具有很大的优势。
磷酸铁锂电池的充放电效率高，倍率放电下充放电效率可达90%以上，而铅酸电池为80%左右。
磷酸铁锂电池的9大优势
提高安全性能
磷酸铁锂晶体中的PO键稳定，不易分解。 即使在高温或过充的情况下，也不会像钴酸锂那样崩塌发热，也不会形成强氧化性物质，因此具有良好的安全性。 有报道指出，在实际操作中，针刺或短路实验发现少量样品燃烧，但未发生爆炸。 在过充实验中，使用比自放电电压高出数倍的高压充电，发现仍有爆炸现象。 即便如此，其过充安全性与普通液态电解质钴酸锂电池相比也有了很大的提升。
提高寿命
磷酸铁锂电池是指以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池。
长寿命铅酸电池循环寿命300次左右，最高500次，而磷酸铁锂动力电池循环寿命可达2,0005次以上，标准充电（2,000小时率）使用次数可达11.5次。 同等质量的铅酸电池是“新半年，旧半年，维护保养半年”，最长为7~8年，而磷酸铁锂电池的理论寿命将达到4年在相同条件下使用时为 2 年。 综合考虑，性价比理论上是铅酸电池的40倍以上。 大电流放电可快速充放电大电流1.5C，在专用充电器下，2C充电XNUMX分钟即可充满电，启动电流可达XNUMXC，但铅酸电池没有这个表现。
良好的高温性能
磷酸铁锂电池的电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂仅在200℃左右。 工作温度范围宽（-20C-+75C），耐高温的磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂仅在200℃左右。
大产能
具有比普通电池（铅酸等）更大的容量。 单体容量为5AH-1000AH。
没有记忆效应
充电电池经常在充满电的情况下工作，容量会迅速下降到额定容量以下。 这种现象称为记忆效应。 和镍氢、镍镉电池一样，有记忆，但磷酸铁锂电池没有这种现象。 无论电池处于何种状态，都可以随时使用，无需在充电前放电。
轻量化设计，方便挪动
相同规格和容量的磷酸铁锂电池体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。
环保
电池一般认为不含任何重金属和稀有金属（镍氢电池需要稀有金属），无毒（SGS认证），无污染，符合欧洲RoHS法规，绝对绿色电池证书。 因此，锂电池之所以受到行业青睐，主要是出于环保方面的考虑。 因此，该电池已被列入“十一五”期间国家“863”高新技术发展计划，成为国家重点支持和鼓励的重点项目。 随着中国加入WTO，中国电动自行车的出口量将快速增长，进入欧美的电动自行车已被要求配备无污染电池。
不过，也有专家表示，铅酸蓄电池对环境的污染主要发生在企业的非标准生产过程和回收过程中。 同理，锂电池属于新能源产业，但也无法避免重金属污染的问题。 金属材料加工过程中的铅、砷、镉、汞、铬等可能会释放到粉尘和水中。 电池本身是一种化学物质，因此可能造成两种污染：一种是生产项目中的工艺废弃物污染； 另一个是报废后的电池污染。
磷酸铁锂电池也有其不足之处：如低温性能较差，正极材料振实密度低，等容量的磷酸铁锂电池体积大于锂离子电池等锂离子电池。氧化钴，因此在微型电池中没有优势。 用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面临电池一致性的问题。
动力电池对比
目前最有发展前景的动力锂离子电池正极材料主要有改性锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）和镍钴锰酸锂（Li(Ni,Co,Mn)O2）三元材料。 镍钴锰酸锂三元材料由于钴资源匮乏、镍钴形成率高、价格波动大等原因，普遍认为难以成为电动汽车动力型锂离子电池的主流，但可与尖晶石锰酸。 锂在一定范围内组合使用。
行业应用
覆碳铝箔为锂电池行业带来技术创新和产业提升； 提高锂电池产品性能，提高放电倍率。
随着国内电池厂商对电池性能的要求越来越高，新能源电池材料在国内普遍认可：导电材料、导电涂层铝箔、铜箔。
其优点是：在加工电池材料时，往往高倍率充放电性能好，比容量大，但循环稳定性差，衰减严重，不得不做出选择。
这是一种神奇的涂层，可将电池性能提升带入一个新时代。
导电涂层由分散的纳米导电石墨包覆颗粒等组成。 它提供出色的静电传导性，是一种保护性能量吸收层。 它还提供了良好的覆盖保护。 涂料是水性和溶剂型的，可应用于铝、铜、不锈钢、铝和钛双极板。
碳涂层为锂电池的性能带来以下改进：
降低电池内阻，抑制充放电循环过程中动态内阻的增加；
显着提高电池组的一致性，降低电池组的成本；
提高活性物质与集电体的附着力，降低极片的制造成本；
减少极化，提高倍率性能，减少热效应；
防止电解液腐蚀集电器；
延长电池寿命的综合因素；
涂层厚度：常规单面厚度1～3μm。
近年来，日本和韩国主要开发以改性锰酸锂和镍钴锰酸锂三元材料为正极材料的动力锂离子电池，如丰田与松下、日立、索尼合资成立的松下EV Energy。 、新神户电机、NEC、三洋电机、三星、LG等
美国主要开发以磷酸铁锂为正极材料的动力型锂离子电池，如A123 Systems公司和Valence公司，但美国主要汽车制造商选择锰基正极材料系统动力型锂离子电池PHEV 和 EV 中的电池。 据称，美国A123公司正在考虑进入锰酸锂材料领域，而德国等欧洲国家主要采取与其他国家电池公司合作开发电动汽车的方式，如戴姆勒奔驰、法国帅福得等。联盟、德国大众和日本三洋协议合作等。 目前，德国大众和法国雷诺也在各自政府的支持下研发和生产动力锂离子电池。
磷酸铁锂电池的缺点
一种材料是否具有应用开发潜力，除了看其优点外，更关键的是材料是否存在根本性缺陷。
国内普遍选择磷酸铁锂作为动力锂离子电池的正极材料。 来自政府、科研机构、企业甚至证券公司的市场分析人士都看好这种材料，并将其视为动力锂离子电池的发展方向。
分析原因主要有两个：一是受美国研发方向的影响，美国Valence和A123公司率先使用磷酸铁锂作为锂离子正极材料。电池。 其次，国内尚无可用于动力锂离子电池的具有良好高温循环和储存性能的锰酸锂材料。 但是，磷酸铁锂也存在着不可忽视的根本缺陷，总结如下：
- 在制备磷酸铁锂的烧结过程中，氧化铁可能在高温还原气氛中被还原为元素铁。 元素铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质。 这也是日本没有将这种材料用作动力锂离子电池正极材料的主要原因；
- 磷酸铁锂存在振实密度、压实密度低等性能缺陷，导致锂离子电池能量密度低。 低温性能较差，即使是纳米封装和碳包覆也不能解决这个问题。 美国阿贡国家实验室储能系统中心主任 Don Hillebrand 博士在谈及磷酸铁锂电池的低温性能时，形容为可怕。 电动汽车不能在低温（低于 0°C）下行驶。 虽然有厂家声称磷酸铁锂电池在低温下的容量保持率还不错，但都是在放电电流小、放电截止电压低的情况下。 在这种情况下，设备根本无法开始工作。
- 材料的制备成本和电池的制造成本较高，电池良率低，一致性差。 磷酸铁锂的纳米级碳包覆虽然提高了材料的电化学性能，但也带来了能量密度降低、合成成本增加、电极加工性能差、环境要求苛刻等问题。 虽然磷酸铁锂中的化学元素Li、Fe、P非常丰富，成本也很低，但制备的磷酸铁锂产品的成本并不低。 即使去掉早期的研发成本，材料的工艺成本也比较高。 准备电池的成本将使最终的单位储能成本更高。
- 产品一致性差。 目前，国内还没有一家磷酸铁锂材料厂可以解决这个问题。 从材料制备的角度来看，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，包括固相磷酸盐、氧化铁和锂盐，加上碳前驱体和还原气相。 在这个复杂的反应过程中，很难保证反应的一致性。
- 知识产权问题。 最早的磷酸铁锂专利申请由FX MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)于25年1993月19日获得，并于同年XNUMX月XNUMX日公布申请结果。 磷酸铁锂的基础专利为德克萨斯大学所有，碳涂层专利为加拿大人申请。 这两项基础专利是不能绕开的。 如果将专利使用费计入成本，产品成本将进一步增加。
此外，从锂离子电池的研发和生产经验来看，日本是第一个实现锂离子电池商业化的国家，一直占据着高端锂离子电池市场。 虽然美国在一些基础研究方面处于领先地位，但迄今为止还没有大型锂离子电池制造商。 因此，日本选择锰酸锂作为动力锂离子电池正极材料更为合理。 即使在美国，使用磷酸铁锂和锰酸锂作为动力锂离子电池正极材料的厂商数量也平分秋色，联邦政府同时支持这两种体系的研发。
针对磷酸铁锂存在的上述问题，作为动力锂离子电池正极材料难以广泛应用于新能源汽车等领域。 如果能解决锰酸锂高温循环和存储性能差的问题，凭借其低成本和高倍率性能的优势，在动力锂离子电池中的应用将具有巨大潜力。
- 工作原理及特点磷酸铁锂电池全称磷酸铁锂锂离子电池，过长，简称磷酸铁锂电池。 由于其性能特别适用于动力应用，所以在名称上加上了“动力”二字，即磷酸铁锂动力电池。 又称“锂铁（LiFe）动力电池”。
在金属交易市场上，钴（Co）最贵，库存不多，镍（Ni）和锰（Mn）便宜，铁（Fe）最便宜。 正极材料的价格也与这些金属的价格一致。 因此，由LiFePO4正极材料制成的锂离子电池应该是最便宜的。 它的另一个特点是不污染环境。
作为可充电电池，要求是：容量大、输出电压高、充放电循环性能好、输出电压稳定、大电流充放电、电化学稳定、使用安全（不会因过充、过放、短路）操作不当会引起燃烧或爆炸），工作温度范围广，无毒或毒性较小，对环境无污染。 以LiFePO4为正极的磷酸铁锂电池对性能有很好的要求，特别是在大放电倍率放电（5-10C放电）、放电电压稳定、安全（不燃烧、不爆炸）、寿命（循环次数) )，对环境无污染，是最好的，也是目前最好的大电流输出动力电池。
磷酸铁锂电池的结构和工作原理
LiFePO4电池的内部结为橄榄石结构的LiFePO4作为电池正极，通过铝箔与电池正极连接。 ，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，通过铜箔与电池负极相连。 电池上下端之间是电池的电解液，电池由金属外壳密封。
LiFePO4电池充电时，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。 锂离子电池因锂离子在充放电过程中来回迁移而得名。
主要表现
LiFePO4电池的标称电压为3.2V，最终充电电压为3.6V，最终放电电压为2.0V。 由于各个厂家使用的正负极材料和电解液材料的质量和工艺不同，其性能会存在一定的差异。 例如，同一型号的电池（同一包装中的标准电池）的容量差异很大（10%到20%）。
这里需要注意的是，不同厂家生产的磷酸铁锂动力电池在各项性能参数上会有一定的差异； 此外，有些电池性能不包括在内，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差异较大，可分为小十分之一到几毫安小时、中几十毫安小时、大几百毫安小时三类。 不同类型电池的相同参数也存在一些差异。 目前广泛使用的小型标准圆柱形封装磷酸铁锂动力电池的参数轮廓尺寸为直径18mm，高度650mm（型号18650）。
过放电至零电压测试
放电至零电压测试采用STL18650（1100mAh）磷酸铁锂动力电池。 测试条件：1100mAh STL18650电池以0.5C的充电速率充满电，然后以0C的放电速率放电至1.0C的电池电压。 然后将置于0V的电池分成两组：一组存放7天，另一组存放30天； 储存期满后，以0.5C的充电速率充满电，然后以1.0C的速率放电。 最后，比较了两个零电压存储周期的差异。
测试结果，零电压储存7天后，电池无漏液，性能良好，容量100%； 存放30天后无渗漏，性能好，容量98%； 存放30天后，电池经过3次充放电循环，容量恢复到100%。
该测试表明，即使电池过度放电（甚至到0V）并存放一段时间，电池也不会漏液或损坏。 这是其他类型的锂离子电池所不具备的特性。
磷酸铁锂电池的特点
通过以上介绍，磷酸铁锂电池可以概括为以下几个特点。
高效输出：标准放电2~5C，连续大电流放电可达10C，瞬时脉冲放电（10S）可达20C；
高温性能好：外部温度65℃，内部温度高达95℃，电池放电结束温度可达160℃，电池结构安全完整;
即使电池内部或外部损坏，电池也不会燃烧，不会爆炸，具有最佳的安全性； 优异的循环寿命，500次循环后，其放电容量仍大于95%；
即使过放电至零伏也不会损坏； 快速充电； 低成本; 对环境没有污染。
磷酸铁锂动力电池的应用
由于磷酸铁锂动力电池具有以上特点，并生产出各种容量的电池，很快就得到了广泛的应用。 其主要应用领域有：
大型电动车：公交车、电动车、观光车、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、叉车、保洁车、电动轮椅等；
电动工具：电钻、电锯、割草机等；
遥控车、船、飞机等玩具；
太阳能和风力发电的储能设备；
UPS和应急灯、警示灯和矿灯（安全性最好）；
更换相机内的3V原锂电池和9V镍镉或镍氢充电电池（尺寸相同）；
小型医疗设备和便携式设备等
下面是一个磷酸铁锂动力电池替代铅酸电池的应用实例。 采用36V/10Ah（360Wh）铅酸电池，重量12kg，一次充电可行驶约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。 如果使用磷酸铁锂动力电池，同样使用360Wh能量（由12节10Ah电池串联组成），其重量约为4kg。 一次充电可行驶约80公里，充电次数可达1000次，使用寿命可达3至5年。 虽然磷酸铁锂动力电池的价格远高于铅酸电池，但使用磷酸铁锂动力电池整体经济效果更好，使用起来更轻。
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。 大容量磷酸铁锂电池于2005年1月研制成功，其安全性能和循环寿命是其他材料无法比拟的，是动力电池最重要的技术指标。 2000C充放电循环寿命可达30XNUMX次。 单节电池过充电压XNUMXV不会燃烧，穿刺不会爆炸。 磷酸铁锂正极材料使大容量锂离子电池更易于串联使用。 以满足电动汽车频繁充放电的需要。 具有无毒、无污染、安全性能好、原料来源广泛、价格低廉、寿命长等优点，是新一代锂离子电池理想的正极材料。
该项目属于高技术项目中功能性能源材料开发，是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高新技术产业发展规划的重点支持领域.
锂离子电池正极为磷酸铁锂材料，在安全性能和循环寿命方面具有很大优势，这也是动力电池最重要的技术指标之一。 1C充放电循环寿命可达到2000次，穿刺不爆炸，过充不易燃烧爆炸。 磷酸铁锂正极材料使大容量锂离子电池更易于串联使用。
近期，不断有新电池有望取代传统锂电池的进展报道，让我们希望手机和平板的续航时间更长，可惜大部分还停留在实验室研究阶段。 大规模的商业用途很难说。
在Deboch TEC.GmbH发布的磷酸铁锂电池技术白皮书中，采用复合纳米材料后，32650规格（直径32mm/长度65mm）的单体电池能量密度可提升至6000mAh，与当前行业 32650 规格单电池。 与5000mAh规格相比，同样体积增加了足足1000mAh，增幅高达20%之多，一节电池可以为iPhone 4S手机重复充电近4次。
更令人欣慰的是，在单次低倍率充放电环境下使用时，电池循环80次后仍保持在3,000%左右，而普通锂电池循环500次左右。 . 按3天充放电计算，可连续使用24年，是名副其实的长寿命电池。
这种新型电池技术可广泛应用于便携式移动电源、小型UPS、笔记本电池、汽车电池等设备，针对不同的使用环境，Deboch TEC.GmbH还根据循环次数使用不同的电池颜色。 ：军用级为金色，循环次数为3000； 蓝色用于民用车辆领域，2500次； 绿色一号，2000次，适用于小型便携移动设备。
