绿色能源动力锂电池――磷酸铁锂电池

2020/1/16动力电池磷酸铁锂电池的研究分析LeiFeng2020/1/16目录1动力电池的分类和技术分析2锂电池的分类和结构3磷酸铁锂电池及其工作原理2020/1/161.1动力电池分类（从材料来分）2020/1/161.2动力电池原材料技术分析1.铅酸电池由于自身性能限制了动力电源的发展且存在铅污染，已逐渐推出市场；2.镍镉也存在镉污染，记忆效益严重，已基本退出动力电池市场；3.镍氢电池是镍镉电池的改进，比能量能达到60－80Wh/kg，且具有充电速度快、基本无记忆效应、无环境污染，安全性高的特点，目前作为汽车动力电池的生产技术基本成熟。4.镍氢动力电池主要是现有混合动力车的电池能量仅1－2kWh，不能纯电动行使或纯电动续航3km以下。从更长远来看，镍氢的比能量和能量密度无法满足PHEV，EV的要求；原材料Ni(OH)2价格较高，制造大能量的电池成本将会更高，电池性能提高和成本降低的空间非常有限。2020/1/16与镍氢电池比较，锂离子电池的优点主要体现在：1比能量、能量密度高，约为镍氢电池的两倍，能大幅提高电动汽车的续航能力；2功率更高、自放电小、无记忆效应，这些特点都能提高电动车的使用便利性；3原材料成本价格低；4技术提升空间大，成本下降空间大。2020/1/162.1锂电池分类：聚合物锂电池和锂离子电池主要区别在电解质，锂离子电池的电解质是液态的，聚合物电池的电解质是胶体型、或者固态聚合物。聚合物锂电池的反应原理和锂离子电池一样，一般以软包的形式，形状可塑性强；锂离子电池一般做成圆柱形或者方形。2020/1/162.2锂离子电池结构：锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等组成。正极：由含锂的过渡金属氧化物组成，常用的材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。负极：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中间相碳微粒。电解液：一种有机电解液，大部分是由六氟磷酸锂（Li[PF6]）加上有机溶剂配成。隔膜：一种特殊的复合膜，它的功能是隔离正负极，阻止电子穿过，同时能够允许锂离子通过，从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。目前主要是聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）微孔膜。2020/1/163.1磷酸铁锂电池简介磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP，也叫锂铁磷）电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，其工作原理和锂离子电池是一样的。•LiFePO4其物理结构为橄榄石结构，从结构来看，可以用在锂离子电池的正极材料还有AyMPO4,Li1-xMFePO4,LiFePO4.MO等都可以做正极材料。•其特色是不含贵重元素，原料价格低且磷，铁，锂在地球上的资源含量丰富，供料充足。•除具有锂电池的共性外，还有一些特有的优点，比如其工作电压适中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放电功率，可快速充电且循环寿命长（高达2000次），在高温与高热环境下的稳定性高。`2020/1/163.2磷酸铁锂电池工作原理当外部电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。当电池放电时，机理与充电是刚好是相反的，以LiFePO4为例，其化学反应方程式为：2020/1/16磷酸铁锂工作原理图宏观图微观结构图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。2020/1/16磷酸铁锂的特点分析:优点1.工作温度范围宽广（-20℃—＋75℃），高温时性能良好；2.极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；实试时循环寿命高达2000次。3.过放电到零伏也无损坏，零电压存放7天后电池无泄漏，容量为100%；存放30天后，无泄漏、性能良好，容量为98%；存放30天后的电池再做3次充放电循环，容量又恢复到100%。4.可快速充电，自放电少，无记忆效应；5.低成本，对环境无污染。2020/1/16磷酸铁锂的特点分析:缺点1.导电性差：目前在实际生产过程中通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性（A123、烟台卓能正采用这种方法），研究表明，磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级，使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性。2.锂离子扩散速度慢。目前采取的解决方案主要有纳米化LiFePO4晶粒，从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离，再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道，后一种方法看起来效果并不明显。纳米化已经有较多的研究，但是难以应用到实际的工业生产中，目前LiFePO4的纳米化产业技术仍在不断探索。2020/1/163.振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。4.磷酸铁锂电池低温性能差。在0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升。2020/1/16作为动力电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳上、安全上（不燃烧、不爆炸）、寿命上（循环次数）、对环境无污染，是目前最理想的大电流输出动力电池。总结：2020/1/16THANKYOU！