磷酸铁锂电池特性报告

２０Ω恒定负 载 t/min 0 1 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 26.5 27 28 28.5 29 29.5 30 30.5
u/v(700mAh) 3.3 3.11 3.1 3.09 3.08 3.05 3.01 2.97 2.91 2.85 2.73 2.6 2.42 2.32 2.04 1.96 1.84 1.75 1.65 1.52
◎实验内容
• 实验材料：7号260mAh磷酸铁锂电池、5号700mAh磷酸锂铁电池、万用
电表、导线等。
• 实验内容：电池的充放电曲线测量、电池内阻的测量
规格
700mAh 电压u/v 3.35 3.14 3.04 2.95 2.93
260mAh 电压u/v 3.32 3.01 2.95 2.93 2.93
◎电池优势
● 安全性能的改善 磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样 结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。有报告指出，实际操作 中针刺或短路实验中发现有小部分样品出现燃烧现象，但未出现一例爆炸事件，而过充 实验中使用大大超出自身放电电压数倍的高电压充电，发现依然有爆炸现象。虽然如此， 其过充安全性较之普通液态电解液钴酸锂电池，已大有改善。 ● 寿命的改善 长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循 环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电 池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1~1.5年时间，而磷酸铁锂电池在 同样条件下使用，理论寿命将达到7~8年。综合考虑，性能价格比理论上为铅酸电池的4 倍以上。大电流放电可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可 使电池充满，起动电流可达2C,而铅酸电池无此性能。
● 高温性能好 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。工作温度 范围宽广（-20C--+75C），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 ● 大容量 具有比普通电池（铅酸等）更大的容量。5AH-1000AH（单体） ● 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。 ● 重量轻 同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的 1/3。 ● 环保 该电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒 （SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。所以 锂电池之所以被业界看好，主要是环保考量，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。随着中国加入 WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而进入欧美的电动自行车已要求配备 无污染电池。
恒压充电电流
700mAH 140 260mAh
120
100
80
60
40
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70
◎测量原理
◎实验数据
700mAh U1/V 2.98
500mAh 3.21
U2/V
I1/A I2/A
3.19
0.701 0.01027
3.09
0.00527 0.283
R/Ω
恒流1C 700mAh 放电
恒流1C 时间/s 0 25 40 55 65 70 80 90 95 105 110 120 135 150 160 165 180 190 210 220 240 260 270 700mAh 电压u/v 2.5 2.85 2.9 2.96 2.98 3 3.02 3.04 3.06 3.08 3.1 3.11 3.14 3.16 3.17 3.18 3.2 3.21 3.22 3.26 3.27 3.29 3.3
◎工作原理
LiFePO4电池的内部结构如图所示。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，电池由金属外壳密闭封装。 LiFePO4电池在充电时，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。锂离子电池就是因锂离子在充放电时 来回迁移而命名的。
u/v(260mAh) 3.34 3.19 3.16 3.15 3.12 3.11 3.09 3.05 2.93 2.65 0.5
◎容量计算
260mAh 700mA放电 y=4E-05x^4-0.0027x^3+0.0413x^2-0.2235x+3.2709 700mAh 980mA放电 y=-5E-07x^5+4E-05x^4-0.0015x^3+0.0227x^2-0.16x+3.3035 260mAh 20Ω放电 y = -1E-05x5 + 0.0007x4 - 0.0118x3 + 0.0851x2 - 0.2451x + 3.3564 700mAh 20Ω放电 y = 1E-07x6 - 1E-05x5 + 0.0004x4 - 0.0061x3 + 0.0498x2 - 0.1757x + 3.283 恒流放电容量计算： 16min放电容量186.67mAh 38min放电容量618.23mAh
105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 3.23 3.24 3.25 3.25 3.26 3.27 3.27 3.28 3.29 3.29 3.3 3.3 3.31 3.31 3.32 3.32 3.32 3.32 3.33 3.33 3.33
1C恒流充电电压曲线
1C恒流充电电压曲线 3.5 3 2.5
电压u/v
2
1.5
1 0.5 0 0 50 100 150
时间/min
260mAh 700mAH
200
250
300
3.3v恒压充电曲线
恒压3.3v 时间/min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 700mAh 260mAh 电流i/mA 105 118 101 96 96 89 86 83 85 79 82 75 80 71 76 66 73 61 65 57 61 52 55 47 30 43
◎问题分析
1、充电完成后，进入搁置，电压很快会由3.4V降到3.2V 2、放电完成后，进入搁置，电压很快会由2V升到3V
引起该问题的原因主要考虑为电极极化的影响，锂离子电池为浓差电池，在大 电流充放电后会出现明显的极化现象。随着时间推移，内部极化消除，显现出真实 电压，可以通过小电流充放电缓解此现象。 电极极化产生的原因有两点，一是由于电极产生电化学反应时，由于电极反应 使得电极附近的锂离子浓度与电解液中的锂离子浓度产生较大差异，二十由于电子 的流动速度大于离子的反应速度，使得，电极电子的变化与锂离子的变化不同步， 这两个原因使得电极产生极化，无论是充电还是放电，都使得阳极电位升高，阴极 电位下降，因此充电后放置一段时间电压会下降，放电后点后放置一段时间电压会 上升，这是由于电极附近的锂离子浓度与溶液中的锂离子浓度平衡，电极电位极化 消失。
磷酸锂铁电池
（LIFEPO4）
Lithium iron phosphate Battery
◎电池简介
磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的 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。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用 的正极材料。 从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱 嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。 磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，一个主要用 途是用作动力电池，相对NI-MH、Ni-Cd电池有很 大优势。 磷酸铁锂电池充放电效率较高，倍率放电情况下 充放电效率可达90%以上。而铅酸电池约为 80%。
1
0.5
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
电池放电时间t(min)电压u(v)曲线
恒定负载放电
20Ω负载电压变化
u/v(700mAh) u/v(260mAh)
4
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35
电池放电时间t(min)电压u(v)曲线
恒流放电
4 3.5
时间t/min 0 1 2 3 5
3
Hale Waihona Puke 8102.92
2.92
2.92
2.87
2.5
13
2
2.91
2.87 2.87 2.83 2.8 2.79 2.78 2.73 2.61 2.41 1.4
2.73
2.38 2
15 16 18 20 23 25 30 33 35 40
1.5
y = -5E-07x5 + 4E-05x4 - 0.001x3 + 0.022x2 - 0.16x + 3.303
0.304
0.432
◎误差分析
◎理论特点
1、高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放 电（10S）可达20C； 2、高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束 时温度可达160℃，电池的结构安全、完好； 3、即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好； 4、极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%； 5、过放电到零伏也无损坏； 6、可快速充电； 7、低成本； 8、对环境无污染。
◎电池缺点
一种材料是否具有应用发展潜力，除了关注其优点外，更为关键的是该材料是否具有根本 性的缺陷。 国内现在普遍选择磷酸铁锂作为动力型锂离子电池的正极材料，从政府、科研机构、企业甚 至是证券公司等市场分析员都看好这一材料，将其作为动力型锂离子电池的发展方向。分析其原 因，主要有下列两点：首先是受到美国研发方向的影响，美国Valence与A123公司最早采用磷酸 铁锂做锂离子电池的正极材料。其次是国内一直没有制备出可供动力型锂离子电池使用的具有良 好高温循环与储存性能的锰酸锂材料。但磷酸铁锂也存在不容忽视的根本性缺陷，归结起来主要 有以下几点： 1、在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可 能性。单质铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质。这也是日本一直不将该材料作为动 力型锂离子电池正极材料的主要原因。 2、磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量 密度较低。低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。美国阿贡国家实验室 储能系统中心主任Don Hillebrand博士谈到磷酸锂铁电池低温性能的时候，他用terrible来形容，他 们对磷酸铁锂型锂离子电池测试结果表明表明磷酸铁锂电池在低温下（0℃以下）无法使电动汽 车行驶。尽管也有厂家宣称磷酸锂铁电池在低温下容量保持率还不错，但是那是在放电电流较小 和放电截止电压很低的情况下。在这种状况下，设备根本就无法启动工作。
恒流1C 260mAh 放电
恒流1C 时间/s 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 260mAh 电压u/v 2.3 2.8 2.9 2.93 2.98 3 3.03 3.05 3.07 3.09 3.1 3.12 3.13 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.2 3.21 3.22
但有专家表示，铅酸电池造成的环境污染，主要发生在企业不规范的生产 过程和回收处理环节。同理，锂电池属于新能源行业不错，但它也不能避 免重金属污染的问题。金属材料加工中有铅、砷、镉、汞、铬等都有可能 会释放到灰尘和水中。电池本身就是一种化学物质，所以有可能会产生两 种污染：一是生产工程中的工艺排泄物污染；二是报废以后的电池污染。 磷酸铁锂电池也有其缺点：例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容 量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方 面不具有优势。而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要 面对电池一致性问题。