磷酸铁锂电池的发展背景

磷酸铁锂电池发展背景

1．1 锂离子电池概述

随着人们对二次电池的比容量、比功率、小型化和轻型化以及环保要求方面的提高，锂离子电池作为新型绿色能源，以其工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应、无污染、安全性能好等独特的优势（见表1），现已广泛用作移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源，并在国防军工、航天航海、人造卫星、小型医疗仪及军用通讯设备中逐步替代传统的电池。短短十年的迅速发展，锂离子电池在小型可充电电池的市场中的占有率已经超过并部分取代了传统的铅酸电池和镍镉、镍氢电池，逐渐成为小型二次电池的主流。

表1 磷酸铁锂电池与其它二次电池性能比较

1．2 LiFePO4正极材料及铁锂电池介绍

1.2.1 LiFePO4正极材料及铁锂电池应用领域

锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的性能，并且有不同的名称。目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂(LiMn2O4)，另外还有少数采用镍酸锂(LiNiO2)以及二元/三元聚合物作正极材料的锂离子电池。近年来新开发的磷酸亚铁锂电池是用磷酸亚铁锂（LiFePO4，简称LFP）材料作电池正极

的锂离子电池，它是锂离子电池家族的新成员。

图1：磷酸铁锂电池内部结构图2：磷酸铁锂电池工作原理磷酸铁锂电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳、铝塑复合膜或塑料壳密闭封装。

由于磷酸铁锂先天性的结构稳定特性(橄榄石结构)，特别是在安全性和循环性能方面具有无可比拟的优势，所以采用磷酸亚铁锂正极材料的电池可广泛应用于多个领域。根据技术成熟度和市场普及度，磷酸亚铁锂电池应用可分为三个阶段：

第一阶段：低端应用（表现在储能领域，目前应用较为广泛）：

1．替代照相机、笔记本镍镉/镍氢等可充电电池；

2．小型医疗仪器设备、便携式仪器、无线麦克风等；

3、太阳能及风力发电的储能设备；

4．不间断电源（UPS）及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好)；

第二阶段：中端应用（表现在普通动力系统领域，目前市场正在兴起）：

1．电动工具：电钻、电锯、割草机等；

2．遥控汽车、船、飞机等玩具；

3．轻型电动车：电动自行车、电动摩托车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅、Segway代步车等；

第三阶段：高端应用（表现在高功率动力系统领域，目前市场主要靠政府推动）：

1．大型电动车辆：火车、公交车、叉车、景点游览车、混合动力车和纯电动车等。

2、军事、航天领域：轮船、潜艇、装甲车、火箭、太空车等。

1.2.2 磷酸铁锂电池的优势

1、使用安全，磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键

强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，磷酸铁锂电池是目前全球唯一绝对安全的锂离子电池，在高温下的稳定性可达400-500℃（且在滥用情况下释放的热量最少），保证了电池内在的高安全性；不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。

2、该电池寿命超长，循环使用次数高，在室温下1C充放电循环2000次，容量保持率80％以上；是铅酸电池5倍，镍氢电池的4倍，是钴酸锂电池4倍，是锰酸锂电池4-5倍左右。

3、该电池不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒，无污染，，为绝对的绿色环保电池。铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境够成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中，均无污染，因此该电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。

其他优势

◆该电池重量很轻，是铅酸电池的1/3，镍氢电池的63%；

◆该电池体积小，商品设计可轻量化。铅酸电池的2/3，也较镍氢电池体积小；

◆该电池单体电压高，为3.2V，串联少，电池组可靠性高；平台性能：1C 充放电，3.3~3.0V 平台容量达到93%以上；

◆放电平台稳定，可作大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C充放电效率达到96％以上，容量保持率90％以上，可实现10C放电；

◆该电池自放电小；无记忆效应。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电；

◆该电池快速充电特性优，2C快充，半小时充足95%；

◆工作温度范围宽广（-20℃-+75℃），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

表2：各种锂离子电池性能比较