磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料,碳作為負(fù)極材料的鋰離子電池,單體額定電壓為3.2V,充電截止電壓為3.6V~3.65V。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應(yīng)的優(yōu)點。
磷酸鐵鋰電池的組成
上邊是橄欖石(olivine)結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔(aluminium foil)與電池正極連接,左邊是聚合物(polymer)的隔膜(diaphragm),它把正極與負(fù)極隔開,但鋰離子Li 可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(carbon)(石墨graphite)組成的電池負(fù)極,由銅箔(copper foil)與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)(electrolyte),電池由金屬外殼密閉封裝。
磷酸鐵鋰電池工作原理
磷酸鐵鋰電池電池在充電時,正極中的鋰離子Li 通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中,負(fù)極中的鋰離子Li 通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。
1、電池充電時,Li 從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面,在電場力的作用下,進(jìn)入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面,然后嵌入石墨晶格中。與此同時,電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極,經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(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,其晶格結(jié)構(gòu)變化如上圖-2。
2、電池放電時,Li 從石墨晶體中脫嵌出來,進(jìn)入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時,電池經(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。
從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知,磷酸鐵鋰電池的充放電過程需要鋰離子和電子的共同參與,而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達(dá)至平衡。這就要求鋰離子電池的正負(fù)電極必須是離子和電子的混合導(dǎo)體,而且其離子導(dǎo)電能力和電子導(dǎo)電能力必須一致。但是,磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能很差。而石墨負(fù)極的導(dǎo)電性雖然要好一些,但是要實現(xiàn)大倍率放電時,仍然需要改善負(fù)極的導(dǎo)電性,使其的電子導(dǎo)電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達(dá)至平衡。