磷酸铁锂电池

2022年12月5日电池44阅读模式

磷酸铁锂电池(LiFePO4)电池一般是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,而其负极则是由石墨组成,中间为隔膜,隔膜的材质一般为 PP/PE/PP(PE: 聚乙烯,PP:聚丙烯 )。而电解液则可以掺杂多种物质,比如使用磷酸三正丁酯(TBP)等。

磷酸铁锂电池

磷酸铁锂(LiFePO4)动力电池在充电过程中,Li 离子不断由从正极脱出,然后向负极移动;电量即将达到饱和时,Li 离子几乎完全嵌到负极,形成过充电保护电压,因而蓄电池的安全性能和稳定工作能力毋庸置疑。

磷酸铁锂电池的特点

1,能量密度较高

据报道,2018年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在160Wh/kg左右,2019年一些优秀的电池厂家大概能做到175-180Wh/kg的水平,个别厉害的厂家采用叠片工艺、容量做得大些,或能做到185Wh/kg。

2,安全性能好

磷酸铁锂电池正极材料电化学性能比较稳定, 这决定了它具有着平稳的充放电平台,因此,在充放电过程中电池的结构不会发生变化,不会燃烧爆炸,并且即使在短路、过充、挤压、针刺等特殊条件下,仍然是非常安全的。

3,循环寿命长

磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达2000次,甚至达到3500次以上,而对于储能市场要求达到4000-5000次以上,保证8-10年的使用寿命,高于三元电池1000多次的循环寿命,而长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右。

磷酸铁锂电池安全性

车载动力电池最大且最令消费者头疼的问题在于电池自身的性能安全性,它是否会因为意外的温度骤变、气压降低、突发性重力压迫之类导致内容电解质性质变化,从而温度和化学性骤变,引发爆炸等烈性意外。

2021年的储能电站起火事件

2021年的储能电站起火事件,由于磷酸铁锂电池在极端不利的情况下发生内短路而释放可燃气体导致,是所有磷酸铁锂事故中非常极端的代表,但爆炸的可能性很低

至于磷酸铁锂,这种新兴的电解材料会不会爆炸,取决于日常电动车用车场景环境下是否存在爆炸条件,和电池本身的材料属性。

前一个要素是温度升高作为关键诱因,而磷酸铁锂最不担心的就是升温。

磷酸铁锂复杂化合物结构

磷酸铁锂复杂化合物结构

最常见的磷酸铁锂复杂化合物结构,这种橄榄石结构以稳定而著称

后一个要素在于磷酸铁锂电池的材料本身属性。只有当电池温度处于500-600°C高温时内部化学成分(电解质)才会开始分解。由于磷酸铁锂电池晶体中的P-O键相对稳固,高温之下也不会结形成为强氧化性物质,在电池仓有限的氧气供应下无法靠自身瞬间产生高温——而相比之下,三元锂电池会在200°C左右开始发生分解释放氧气,导致爆炸意外发生(着火点达到了)。

至于铅酸电池,理论而言爆炸可能性很小,但是铅酸电池不能大功率充放电,如果过载,危险还是存在的……

电池充放电原理

磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。在充电过程中,LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4,在放电过程中,锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。

电池充电时,锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面,在电场力的作用下,进入电解液,然后穿过隔膜,再经电解液迁移到石墨晶体的表面,而后嵌入石墨晶格中。

与此同时,电子经导电体流向正极的铝箔集电极,经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳流向电池负极的铜箔集流体,再经导电体流到石墨负极,使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后,磷酸铁锂转化成磷酸铁。

磷酸铁锂电池

电池放电时,锂离子从石墨晶体中脱嵌出来,进入电解液,然后穿过隔膜,经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面,然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。

磷酸铁锂电池

与此同时,电子经导电体流向负极的铜箔集电极,经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体,再经导电体流到磷酸铁锂正极,使正极的电荷达至平衡。锂离子嵌入到磷酸铁晶体后,磷酸铁转化为磷酸铁锂。

充放电与掉电

磷酸铁锂电池的自放电效果很弱,几乎不明显,放置一年左右不会超过20%;但铅酸电池需要反复充电,否则会掉电约40%-60%,这是由于其内部电化学的不稳定性质导致。在常温常压下放置的铅酸电池很有可能会在两到三个月内掉光电量,如果没有外部补充的话就是如此。

最简单的铅酸电池示意图

由于电解液为稀硫酸,电化学反应依靠传统的氧化还原反应,这使得如无外部维护供能,将导致反应趋于不可控(自放电)。

此外,由于铅酸电池无法进行大功率充放电,这导致该电池的热稳定性欠佳,较之上文提及的磷酸铁锂电池特有的P-O键,铅酸的化学结构难以支持在长时间的温度骤变环境下维持常规充放电模式;另外,由于铅与锡类金属的耐寒冷化效果均不佳,在磷酸铁锂电池的大敌——气温骤降面前,也胜算寥寥。

环境保护的角度

磷酸铁锂电池

这是老生常谈。磷酸铁锂电池由于内容物大多为氢族金属的分支和过渡元素,在自然界中含量正常且铁、锂、铜、铝较为常规,不易污染环境;然鹅铅酸电池的主要成分铅、镉、汞任一都会导致情况严重的环境污染——虽然是很少的一点儿,也足以导致腹部绞痛、骨质疏松等等麻烦事儿。

另外,铅酸电池的“酸”可不是玩笑,过去研究电化学时没少注意旧式蓄电池里充作电解液的强酸,较之磷酸铁锂的电解液,铅酸电池里的强酸电解质如果泄漏,效果也是非常令人和自然界顿感酸爽(物理)的。

镍镉电池

镍镉电池(Ni-Cd,Nickel-Cadmium Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery)是最早应用于手机、超科等设备的电池种类,它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。

镍镉电池
聚合物锂电池

锂聚合物电池,又称高分子锂电池,是一种化学性质的电池。相对以前的电池来说,具有能量高、小型化、轻量化的特点。

聚合物锂电池

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