磷酸鐵鋰電池性能與應(yīng)用研究

張 嵩，丁廣乾，胡鐵軍，高洪雨

（國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)學(xué)院泰山校區(qū)，山東 泰安 271000）

0 引言

自愛(ài)迪生首次提出鋰離子電池系統(tǒng)以來(lái)，鋰離子電池技術(shù)的先進(jìn)性和廣泛應(yīng)用，已激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮[1-2]。鋰離子電池作為一種高性能的二次綠色電池，具有工作電壓高、能量密度大、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。目前研究的正極材料有 LiCoO2、LiNiO2以及 LMin2O4等，但由于鈷有毒且資源有限，鎳酸鋰制備困難，錳酸鋰的循環(huán)性能和高溫性能差等因素，制約了它們的應(yīng)用和發(fā)展。1997年美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)GOODENOUGH等報(bào)道了磷酸鐵鋰的可逆嵌脫鋰特性后，該材料得到了極大重視，廣泛研究和迅速的發(fā)展[3]。與上述傳統(tǒng)的鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池因具有原料來(lái)源廣泛、成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 磷酸鐵鋰電池的特性

1.1 電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)圖

磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4材料構(gòu)成的正極，由鋁箔與電池正極連接。右邊是由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開(kāi)，鋰離子可以通過(guò)隔膜而電子不能通過(guò)隔膜。電池內(nèi)部充有電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

1.2 電池充放電原理

磷酸鐵鋰電池的充放電反應(yīng)是在LiFePO4和FePO4兩相之間進(jìn)行。在充電過(guò)程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過(guò)程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。

電池充電時(shí)，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場(chǎng)力的作用下，進(jìn)入電解液，然后穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨晶格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池正極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極極耳流向電池負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。

電池放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來(lái)，進(jìn)入電解液，然后穿過(guò)隔膜，經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體后，磷酸鐵轉(zhuǎn)化為磷酸鐵鋰。

2 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并且支持無(wú)級(jí)擴(kuò)展，組成儲(chǔ)能系統(tǒng)后可進(jìn)行大規(guī)模電能儲(chǔ)存。

磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、換流裝置（整流器、逆變器）、中央監(jiān)控系統(tǒng)、變壓器等組成，如圖2所示。

磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換原理。充電階段，間歇式電源或電網(wǎng)為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，交流電經(jīng)過(guò)整流器后整流為直流電向儲(chǔ)能電池模塊進(jìn)行充電，儲(chǔ)存能量；放電階段，儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)或負(fù)載進(jìn)行放電，儲(chǔ)能電池模塊的直流電經(jīng)過(guò)逆變器逆變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^(guò)中央監(jiān)控系統(tǒng)控制逆變輸出，可實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)或負(fù)載提供穩(wěn)定功率輸出。

圖2 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

3 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用

磷酸鐵鋰電池是各種先進(jìn)二次電池中產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最為成熟的一種，也是最具有潛力的一種先進(jìn)儲(chǔ)能電池。磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用主要是移動(dòng)應(yīng)用和固定應(yīng)用，移動(dòng)應(yīng)用主要用于電動(dòng)交通工具和便攜式電動(dòng)工具，固定應(yīng)用主要用于可再生能源發(fā)電安全并網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)峰，分布式電站和UPS電源等領(lǐng)域。

3.1 移動(dòng)應(yīng)用方面

目前汽車尾氣排放污染已經(jīng)成為城市中的頭號(hào)污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，已成為了人們的共識(shí)。我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（征求意見(jiàn)稿）中提到“我國(guó)新能源汽車發(fā)展的總體目標(biāo)是：到2020年，新能源汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量達(dá)到500萬(wàn)輛，中/重度混合動(dòng)力乘用車占乘用車年產(chǎn)銷量的50%以上，我國(guó)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界前列”。我國(guó)的電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃中指出將推動(dòng)以鋰離子動(dòng)力電池為重點(diǎn)的車用動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使其具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[4]。磷酸鐵鋰電池具有體積小、重量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為電動(dòng)汽車、電動(dòng)船舶等電動(dòng)交通工具的理想供電電源。隨著磷酸鐵鋰電池的不斷推廣應(yīng)用，成本不斷降低，性能不斷提高，磷酸鐵鋰電池在便攜式電動(dòng)工具供電方面也將得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 固定應(yīng)用方面

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并且支持無(wú)級(jí)擴(kuò)展，適合于大規(guī)模電能儲(chǔ)存，在可再生能源發(fā)電安全并網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)峰、分布式電站、UPS電源等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

1）風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電安全并網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等特征，決定了其規(guī)模化發(fā)展必然會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響[5-7]。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國(guó)的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)屬于“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”，大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電受環(huán)境溫度、太陽(yáng)光照強(qiáng)度和天氣條件的影響，光伏發(fā)電呈現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)的特點(diǎn)[8-9]。目前我國(guó)呈現(xiàn)出“分散開(kāi)發(fā)，低電壓就地接入”和“大規(guī)模開(kāi)發(fā)，中高電壓接入”并舉的發(fā)展態(tài)勢(shì)，這就對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提出了更高要求。因此，大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與可再生能源發(fā)電之間矛盾的關(guān)鍵因素。磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有工況轉(zhuǎn)換快、運(yùn)行方式靈活、效率高、安全環(huán)保、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程中開(kāi)展了工程應(yīng)用，將有效提高設(shè)備效率，解決局部電壓控制問(wèn)題，提高可再生能源發(fā)電的可靠性和改善電能質(zhì)量，使可再生能源成為連續(xù)、穩(wěn)定的供電電源。隨著容量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，集成技術(shù)的不斷成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本將進(jìn)一步降低，經(jīng)過(guò)安全性和可靠性的長(zhǎng)期測(cè)試，磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有望在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電安全并網(wǎng)及提高電能質(zhì)量方面得到廣泛應(yīng)用。

2）電網(wǎng)調(diào)峰。電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫(kù)，受地理?xiàng)l件限制較大，在平原地區(qū)不容易建設(shè)，而且占地面積大，維護(hù)成本高。采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)取代抽水蓄能電站，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，不受地理?xiàng)l件限制，選址自由，投資少、占地少，維護(hù)成本低，在電網(wǎng)調(diào)峰過(guò)程中將發(fā)揮重要作用。

3）分布式電站。大型電網(wǎng)自身的缺陷，難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安全可靠性要求[10]。對(duì)于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以減少或避免由于電網(wǎng)故障和各種意外事件造成的斷電，在保證醫(yī)院、銀行、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理中心、化學(xué)材料工業(yè)和精密制造工業(yè)等安全可靠供電方面發(fā)揮重要作用。

4）UPS電源。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展帶來(lái)的UPS電源用戶需求分散化，使得更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對(duì)UPS電源產(chǎn)生了持續(xù)的需求[11-12]。磷酸鐵鋰電池相對(duì)于鉛酸電池，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全穩(wěn)定、綠色環(huán)保、自放電率小等優(yōu)點(diǎn)，隨著集成技術(shù)的不斷成熟，成本的不斷降低，磷酸鐵鋰電池在UPS電源蓄電池方面將得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

磷酸鐵鋰電池是各種先進(jìn)二次電池中產(chǎn)業(yè)發(fā)展最成熟也是最具潛力的一種先進(jìn)的儲(chǔ)能電池。隨著制造技術(shù)的日益成熟，成本不斷降低，性能不斷提高，磷酸鐵鋰電池將大大推動(dòng)我國(guó)新能源汽車的發(fā)展。隨著磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化，其自身具有的工況轉(zhuǎn)換快，運(yùn)行方式靈活，循環(huán)壽命長(zhǎng)，低維護(hù)成本低等特性，在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。