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磷酸铁锂动力电池设计知识详解

2020-03-11 浏览次数:1,384 次 焉知新能源汽车

在LiFePO4的晶体结构中,氧原子呈六方紧密堆积排列。PO4四面体和FeO6八面体构成晶体的空间骨架,Li和Fe占据八面体空隙,而P占据四面体空隙,其中Fe占据八面体的共角位置,Li占据八面体的共边位置。FeO6八面体在晶体的bc面上相互连接,b轴方向上的LiO6八面体结构相互连接成链状结构。1个FeO6八面体与2个LiO6八面体和1个PO4四面体共棱。

由于FeO6共边八面体网络不连续,致使不能形成电子导电;同时,PO4四面体限制了晶格的体积变化,影响了Li+的脱嵌和电子扩散,导致LiFPO4正极材料电子导电率和离子扩散效率极低。

LiFePO4电池的理论比容量较高(约为170mAh/g) ,放电平台是3.4V。Li+在正负两极之间往返脱-嵌实现充放电,充电时发生氧化反应,Li+从正极迁出,经电解液嵌入负极,铁从Fe2+变成Fe3+,发生氧化反应。

磷酸铁锂电池左边是橄榄石结构的LiFePO4材料构成的正极,由铝箔与电池正极连接。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。中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。电池内部充有电解质,电池由金属外壳密闭封装。

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。

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。

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。

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。

4.安全环保

磷酸铁锂电池不含任何重金属和稀有金属,安全,无毒无污染,为绝对的绿色环保电池。由于磷酸铁锂材料整个生产过程中,清洁无毒,所有的原材料均为无毒无污染。

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