?磷酸鐵鋰電池工作原理和優(yōu)勢(shì)

導(dǎo)讀：本文主要介紹磷酸鐵鋰電池工作原理和優(yōu)勢(shì)。

目前動(dòng)力電池主要包括磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和三元鋰電池。而磷酸鐵鋰電池支撐著中國(guó)鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)的半壁江山，那磷酸鐵鋰電池的工作原理是怎么樣的呢？

磷酸鐵鋰電池正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的 LiFePO4 組成，負(fù)極由石墨組成，中間是聚烯烴PP/PE/PP 隔膜，用于隔離正負(fù)極、阻止電子而允許鋰離子通過(guò)。

充電時(shí)鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，同時(shí)電子從外電路由正極向負(fù)極移動(dòng)，以保證正負(fù)極的電荷平衡，放電時(shí)鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極。這一微觀結(jié)構(gòu)使得磷酸鐵鋰電池具有了較好的電壓平臺(tái)和較長(zhǎng)的使用壽命：電池的充放電過(guò)程中，其正極在斜方晶系的 LiFePO4和六方晶系的 FePO4兩相之間轉(zhuǎn)變，由于 FePO4和 LiFePO4在 200℃以下以固熔體形式共存，在充放電過(guò)程中沒(méi)有明顯的兩相轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，磷酸鐵鋰電池的充放電電壓平臺(tái)長(zhǎng)且平穩(wěn)；另外，在充電過(guò)程完成后，正極 FePO4 的體積相對(duì) LiFePO4 僅減少 6.81%，而充電過(guò)程中碳負(fù)極體積輕微膨脹，起到了調(diào)節(jié)體積變化、支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，因此，磷酸鐵鋰電池在充放電過(guò)程中表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

那磷酸鐵鋰電池有什么優(yōu)勢(shì)呢？

磷酸鐵鋰電池憑借其低價(jià)及強(qiáng)安全性贏得了眾多廠(chǎng)家的信任。鋰離子電池中正極材料占整個(gè)電池成本的 40%以上，且當(dāng)前的技術(shù)條件下，整體電池的能量密度主要取決于正極材料，所以正極材料是鋰離子電池的核心開(kāi)發(fā)、研究的材料，目前成熟應(yīng)用的正極材料包括鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰及錳酸鋰。

鈷酸鋰

有層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)，一般常用層狀結(jié)構(gòu)，其理論容量為 270mAh/g左右，層狀結(jié)構(gòu)鈷酸鋰主要應(yīng)用在手機(jī)、航模、車(chē)模、電子煙、智能穿戴等數(shù)碼產(chǎn)品上。當(dāng)前鈷酸鋰的能量密度和壓實(shí)密度已基本到極限，其比容量與理論容量相比還是有較大的提升空間，但是由于當(dāng)前整體的化學(xué)體系限制，尤其是電解液在高電壓的體系下很容易分解，故進(jìn)一步通過(guò)提升充電截止電壓提升比容量的方法受到了一定的限制，后續(xù)一旦電解液技術(shù)得到突破，其能量密度還會(huì)有提升的空間。

鎳鈷錳酸鋰

一般具有綠色環(huán)保、成本低（成本僅相當(dāng)于鈷酸鋰的 2/3）、安全性好（安全工作溫度可達(dá) 170℃）、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)（延長(zhǎng) 45%）的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前對(duì)單晶化鎳鈷錳酸鋰研究主要通過(guò)不斷的提升鎳含量，提升充電截止電壓，來(lái)進(jìn)一步的提升產(chǎn)品的能量密度，但這對(duì)電解液等相關(guān)配套材料以及鋰離子電池制造廠(chǎng)商的技術(shù)能力提出了更高的要求。

錳酸鋰

有尖晶石結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，一般常用尖晶石結(jié)構(gòu)的。理論容量 148 mAh/g，實(shí)際容量在 100～120mAh/g 之間，具有容量發(fā)揮較好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、低溫性能優(yōu)越和成本低廉等特點(diǎn)。但是其晶體結(jié)構(gòu)容易畸變，造成容量衰減，循環(huán)壽命短。主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高，成本要求高，但對(duì)能量密度和循環(huán)要求較低的市場(chǎng)。如小型通訊設(shè)備、充電寶、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車(chē)、特殊場(chǎng)景（如煤礦）。

磷酸鐵鋰

一般具有穩(wěn)定的橄欖石骨架結(jié)構(gòu)，放電容量可以達(dá)到理論放電容量的95%以上，安全性能優(yōu)異，對(duì)于過(guò)充的承受力很好，循環(huán)壽命長(zhǎng)，并且價(jià)格低廉。但其能量密度限制難以解決，而電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)卻不斷提升續(xù)航需求。

磷酸鐵鋰正極材料在應(yīng)用的時(shí)候體現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性能、安全可靠性、低碳環(huán)保性，是大型電池模塊的首選正極材料。但是磷酸鐵鋰正極材料的堆積密度較低、體積能量密度不高、應(yīng)用范圍有限。針對(duì)磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用局限，相關(guān)人員可以通過(guò)在其中摻雜高價(jià)金屬陽(yáng)離子、表面包覆導(dǎo)電材料的方法來(lái)提升這種材料的電導(dǎo)率。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，磷酸鐵鋰正極材料逐漸發(fā)展成熟，被人們廣泛的應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域、電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域、移動(dòng)電源設(shè)備、儲(chǔ)能電源領(lǐng)域等。

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