磷酸鐵鋰動力電池化學特性分析與應用

宋真玉

（陜西工業職業技術學院 汽車工程學院，陜西 咸陽 712000）

磷酸鐵鋰動力電池化學特性分析與應用

宋真玉

（陜西工業職業技術學院 汽車工程學院，陜西 咸陽 712000）

以磷酸鐵鋰動力電池為基礎，詳細分析其結構和性能特征，表現出磷酸鐵鋰電池的優越性能。然后從正負極材料和電解液構成和制備方法方面闡述了其特征，最后從其充放電原理和SOC特點研究了作為動力電池磷酸鐵鋰的優勢，并指出在新能源汽車快速發展的今天，磷酸鐵鋰電池應用的廣泛性。

新能源汽車；磷酸鐵鋰；性能；應用

0 引言

隨著汽車工業的不斷發展，環境污染和能源過度消耗已成為大眾的共識。因此，大力發展新能源汽車成為解決此問題的途徑之一。電動汽車是新能源汽車的重要組成，但卻存在許多亟待解決的問題。動力蓄電池是電動汽車的動力源，目前許多蓄電池存在能量密度低、電動汽車續駛里程較短、電池一次充電速度較慢等問題[1]。本文以磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，從其結構和充放電特點出發，重點研究其充電特性，為電動汽車的發展提供一定的理論依據。

1 磷酸鐵鋰電池的特點

1.1 磷酸鐵鋰電池結構特點

磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池一般是指用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料的鋰離子電池。而其負極則是由石墨組成，中間為隔膜，隔膜的材質一般為PP/PE/PP。其內部結構如圖1所示。

圖1 LiFePO4電池內部結構

1.2 磷酸鐵鋰電池性能特點

磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池與其它可充電動力電池主要性能的比較如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池性能特點

種類參數普通Li-ion電池LiFePO4電池單位體積能量280～300 220～240 200～220 220～240循環壽命60% 100次85% 300 Li-ion動力電池NiMH電池次<50%50次>95%500次安全可能燃燒、爆炸可能燃燒、爆炸可能燃燒不燃燒

由表1可知，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池在蓄電池關鍵性能參數中都有領先與其它動力電池，尤其是能量密度和循環壽命方面都要強于其它動力電池，而且在安全性和易儲存性能方面也表現出了很明顯的優勢。

2 磷酸鐵鋰電池的組成

2.1 磷酸鐵鋰電池正極材料

由于國際能源危機的日益加劇，新能源汽車動力電池的研究也日益激烈。針對磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的研究也越來越廣泛，更重要的是磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的應用范圍不斷增加，所以磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池正極材料的研究越來越受到重視。

目前，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池正極主要制備方法有碳熱還原法，碳熱還原法在抑制顆粒粒徑生長、提高導電率等方面具有優勢[2]。

磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池正極材料也存在著很多不足之處，比如：LiFePO4離子擴散率不高，所以其在特殊狀況下的導電性能就比較差。為了增加正極材料的活性，最常用的方法是對其進行摻雜，常用的摻雜元素包括Mg，Ti，Cr，B，Al，Mn，Zr和La等[3]。

2.2 磷酸鐵鋰電池負極材料

LiFePO4動力電池正極材料和負極材料的研究同步進行。正極材料的制備和固有缺陷問題漸漸被解決，負極材料的研究也在加快進行中。石墨是其常用的負極材料，層狀結構，更有利于Li離子嵌入，且導電性能好。除石墨外，易石墨化碳（軟碳）與難石墨化碳（硬碳）也可作為電池負極材料[4]。

除以上幾種C元素負極材料外，還有其他Li元素。過渡金屬的化合物也是較為理想的負極材料。其中如Li的Co氮化物在用作負極材料后導電性能好得到了非常好的提升，鈦酸鋰（Li4Ti5O12）也可作為磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的負極材料。

2.3 磷酸鐵鋰電池電解液

磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的正負極材料是現今的研究重點之一，而電解液的研究卻相對較為緩慢，常見的電解液為電解質溶劑、固態聚合物電解質、高電壓（功率）電解液，以及高低溫電解液等[5]。

磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池電解液采用電解液添加劑目的很明確，在于降低離子在其內部的分解、提高極端環境下的穩定性，其常用添加劑為含P化合物；而采用固態聚合物電解質的只要指向是提高電解質和正負極材料的接觸效率，從而提高電池的性能；而采用高電壓電解液和高溫電解液，則分別可以提高動力電池的循環穩定性和耐久性。

3 磷酸鐵鋰電池充放電原理

目前，磷酸鐵鋰動力電池其單體理論比容量為170mAh/g，在具體生產中，產品實際比容量也已超過140mAh/g（25°C），在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上，由此可見，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池具有很好基本特性和充放電性能。

3.1 磷酸鐵鋰電池充電原理

電池在充電時，正極的離子、電子得失如下：

電池在充電時，其充入的能量可按下式計算：

式中，Ich為充電電流（A），tch為充電時間（h），Cch為磷酸鐵鋰電池的充電容量（Ah）。

3.2 磷酸鐵鋰電池放電原理

電池在放電時，正極的離子、電子得失如下：

隨著時間的不斷變化，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的放電電流也不斷變化，變化中的參量可以通過積分來計算，所以其容量為：

式中，Idis為放電電流（A），tdis為放電時間（h），Cdis為放電容量（Ah）。

3.3 磷酸鐵鋰電池SOC特點

通常，人們用電池的荷電狀態（State Of Charge-SOC）反應磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池的剩余電量。

具體來說，SOC即為電池剩余容量和電池總容量的比值，即：

式中，CR為電池剩余容量，Csum為磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池所能釋放出的最大容量。

由以上分析知，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池在充電過程中，Li離子不斷由從正極脫出，然后向負極移動；電量即將達到飽和時，Li離子幾乎完全嵌到負極，形成過充電保護電壓，對蓄電池的安全性的提高有很大幫助。

4 結語

目前，磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池是新能源汽車動力蓄電池的重要選擇之一，在對其進行更加深入的研究之后，發現不論其正負極材料、電解液，還是其SOC值的特點都具有先天的優勢，其各項優秀性能也得到汽車制造商和產生廠家的廣泛認可，不但在可再生能源儲備領域可以廣泛應用，而且在新能源的開發和制備領域也得到使用，其也是新能源汽車動力電池最佳的選擇。

[1]DOUGHTY D H，BUTLER P C，JUNGST R G，et al.Lithium battery thermal models[J]. Journal of Power Sources，2002，110（2）：357-363.

[2]潘宏斌，趙家宏，馮夏至，等.仿真分析技術在鎳氫電池模組結構優化設計中的應用[J]. 機械工程學報，2005，40（12）：58-61.

[3]魏學哲，孫澤昌，田佳卿，等. 鋰離子動力電池參數辨識與狀態估計[J].同濟大學學報（自然科學版），2008，36（2）: 231-235.

[4]徐偉.鋰電池管理系統研究與設計方案[D].重慶：重慶大學，2010.

[5]李哲.純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京：清華大學，2011.

Chemical characteristics analysis and application of lithium iron phosphate power battery

Song Zhenyu
(School of automotive engineering, Shaanxi Industrial Vocational College, Xianyang 712000, China)

The lithium iron phosphate battery based on a detailed analysis of its structure and performance characteristics, show superior performance of lithium iron phosphate battery. Then from the positive and negative electrode materials and electrolyte composition and preparation method of its characteristics, finally from the charge discharge principle and SOC to study the characteristics of lithium iron phosphate battery as power the advantages, and pointed out that in the new energy automobile fast development today, extensive application of lithium iron phosphate battery.

new energy vehicle; lithium iron phosphate; performance; application

宋真玉（1987— ），男，河南鄭州人，碩士研究生，助教；研究方向：汽車運用、汽車新能源。