磷酸铁锂电池特性报告

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%。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。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700mAh260mAh时间t/min电压u/v电压u/v03.353.3213.143.0123.042.9532.952.9352.932.9382.922.92102.922.87132.912.73152.872.38162.872182.83202.8232.79252.78302.73332.61352.41401.4y = -5E-07x5 + 4E-05x4 - 0.0015x3 + 0.0227x2 - 0.16x + 3.303500.511.522.533.5051015202530354045电池放电时间t(min)电压u(v)曲线恒流放电恒定负载放电00.511.522.533.50510152025303520负载电压变化负载电压变化u/v(700mAh)u/v(260mAh)恒定负载t/minu/v(700mAh)u/v(260mAh)03.33.3413.113.192.53.13.1653.093.157.53.083.12103.053.1112.53.013.09152.973.0517.52.912.93202.852.6522.52.730.5252.626.52.42272.32282.0428.51.96291.8429.51.75301.6530.51.52电池放电时间t(min)电压u(v)曲线容量计算260mAh 700mA放电y=4E-05x4-0.0027x3+0.0413x2-0.2235x+3.2709700mAh 980mA放电 y=-5E-07x5+4E-05x4-0.0015x3+0.0227x2-0.16x+3.3035260mAh 20放电y = -1E-05x5 + 0.0007x4 - 0.0118x3 + 0.0851x2 - 0.2451x + 3.3564700mAh 20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186.67mAh38min放电容量618.23mAh问题分析1、充电完成后，进入搁置，电压很快会由3.4V降到3.2V2、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。恒流1C700mAh时间/s电压u/v02.5252.85402.9552.96652.98703803.02903.04953.061053.081103.11203.111353.141503.161603.171653.181803.21903.212103.222203.262403.272603.292703.3恒流1C260mAh时间/s电压u/v02.352.8102.9152.93202.98253303.03353.05403.07453.09503.1553.12603.13653.15703.16753.17803.18853.19903.2953.211003.221053.231103.241153.251203.251253.261303.271353.271403.281453.291503.291553.31603.31653.311703.311753.321803.321853.321903.321953.332003.332053.33恒流1C 700mAh 放电恒流1C 260mAh 放电00.511.522.533.5050100150200250300电压电压u/v时间时间/min1C恒流充电电压曲线恒流充电电压曲线260mAh700mAH1C恒流充电电压曲线恒压3.3v700mAh260mAh时间/min电流i/mA0105118510196109689158683208579258275308071357666407361456557506152555547603043020406080100120140010203040506070恒压充电电流恒压充电电流700mAH260mAh3.3v恒压充电曲线测量原理700mAh500mAhU1/V2.983.21U2/V3.193.09I1/A0.7010.00527I2/A0.010270.283R/0.3040.432实验数据误差分析理论特点1、高效率输出：标准放电为25C、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11.5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78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。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。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。 3、材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差。磷酸铁锂的纳米化和碳包覆尽管提高了材料的电化学性能，但是也带来了其它问题，如能量密度的降低、合成成本的提高、电极加工性能不良以及对环境要求苛刻等问题。尽管磷酸铁锂中的化学元素Li，Fe与P很丰富，成本也较低，但是制备出的磷酸铁锂产品成本并不低，即使去掉前期的研发成本，该材料的工艺成本加上较高的制备电池的成本，会使得最终单位储能电量的成本较高。4、产品一致性差。目前国内还没有一家磷酸铁锂材料厂能够解决这一问题。从材料制备角度来说，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，有固相磷酸盐、铁的氧化物以及锂盐，外加碳的前驱体以及还原性气相。在这一复杂的反应过程中，很难保证反应的一致性。 5、知识产权问题。最早的有关磷酸铁锂专利申请在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)获得，并于同年8月19日公布申请结果。磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有，而碳包覆专利被加拿大人所申请。这两个基础性专利是无法绕过去的，如果成本中计算上专利使用费的话，那产品成本将会进一步提高。电池应用 由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛地应用。它主要应用领域有：1、大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；2、轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；3、电动工具：电钻、电锯、割草机等；4、遥控汽车、船、飞机等玩具；5、太阳能及风力发电的储能设备；UPS及应急灯、警示灯及矿灯（安全性最好）；6、替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；7、小型医疗仪器设备及便携式仪器等。 这里举一个用磷酸铁锂动力电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10Ah（360Wh）的铅酸电池，其重量12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用磷酸铁锂动力电池，采用同样的360Wh能量（12个10Ah电池串联组成），其重量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达35年。虽然说磷酸铁锂动力电池的价格较铅酸电池高得多，但总的经济效果还是采用磷酸铁锂动力电池更好，并且在使用上更轻便。