磷酸鐵鋰電池

1、新型磷酸鐵鋰電電池 2009. 02. 20一.磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)與原理 磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，則在名稱(chēng)中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。也有人把它稱(chēng)為“鋰鐵（LiFe）動(dòng)力電池”。2002年后則推出磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。 鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱(chēng)。目前市場(chǎng)上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池，一般

2、將后兩種正極材料的鋰離子電池稱(chēng)為“鋰錳電池”及“鋰鎳電池”。新開(kāi)發(fā)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極的鋰離子電池，它是鋰離子電池家族的新成員。 目前用作鋰離子電池的正極材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。這些組成電池正極材料的金屬元素中，鈷（Co）最貴，并且存儲(chǔ)量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境無(wú)污染。 LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池

3、的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開(kāi)，但鋰離子Li+可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，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。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。 LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過(guò)隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的。 圖1 LiFePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu) 二. LiFePO4電池主要性能 LiFePO4電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家采用的正、負(fù)極材料、

4、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會(huì)有些差異。例如同一種型號(hào)（同一種封裝的標(biāo)準(zhǔn)電池），其電池的容量有較大差別（10%20%）。 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池主要性能列于表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類(lèi)可充電電池性能。這里要說(shuō)明的是，不同工廠(chǎng)生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會(huì)有一些差別；另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)阻、自放電率、充放電溫度等。 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的容量有較大差別，可以分成三類(lèi)：小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時(shí)、中型的幾十毫安時(shí)、大型的幾百毫安時(shí)。不同類(lèi)型電池的同類(lèi)參數(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：

5、直徑為18mm、高650mm（型號(hào)為18650），其參數(shù)性能如表2所示。 典型的放電特性及壽命典型的放電特性及壽命 一種型號(hào)為18650的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池（容量為1100mAh）在不同的放電率時(shí)其放電特性如圖2所示。最小的放電率為0.5C，最大的放電率為10C，五種不同的放電率形成一組放電曲線(xiàn)。由圖2中可看出，不管哪一種放電率，其放電過(guò)程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩(wěn)，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時(shí)，曲線(xiàn)才向下彎曲（放電量達(dá)到800mAh以后才出現(xiàn)向下彎曲），達(dá)到截止電平。在0.510C的放電率范圍內(nèi)，輸出電壓大部分在2.73.2V范圍內(nèi)變化。這說(shuō)明該電池有很好的放電特性。 圖2 S

6、TL18650的放電特性 使用時(shí)間與溫度的關(guān)系使用時(shí)間與溫度的關(guān)系 容量為1000mAh的18650在不同的溫度條件下（從-20+40）的放電曲線(xiàn)如圖3所示。如果在23時(shí)放電容量為100%，則在0時(shí)的放電容量降為78%，而在-20時(shí)降到65%，在+40放電時(shí)其放電容量略大于100%。 從圖3中可看出，18650磷酸鐵鋰電池可以在-20下工作，但輸出能量要降低35%左右。 圖3 STL18650在多溫度條件下的放電曲線(xiàn) 18650的充放電循環(huán)壽命曲線(xiàn)如圖4所示。其充放電循環(huán)的條件是：以1C充電率充電，以2C放電率放電，歷經(jīng)570次充放電循環(huán)。從圖4的特性曲線(xiàn)可看出，在經(jīng)過(guò)570次充放電循環(huán)，其放

7、電容量未變，說(shuō)明該電池有很高的壽命。圖4 18650的充放電循環(huán)壽命曲線(xiàn) 過(guò)放電到零電壓試驗(yàn)過(guò)放電到零電壓試驗(yàn) 采用18650（1100mAh）的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池做過(guò)放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：用0.5C充電率將1100mAh的18650電池充滿(mǎn)，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0V。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期后再用0.5C充電率充滿(mǎn)，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。 試驗(yàn)的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天后，無(wú)泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢

8、復(fù)到100%。 這試驗(yàn)說(shuō)明該電池即使出現(xiàn)過(guò)放電（甚至到0V），并存放一定時(shí)間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類(lèi)鋰離子電池不具有的特性。 通過(guò)上述介紹，LiFePO4電池可歸納下述特點(diǎn)。 1.高效率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為25C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電（10S）可達(dá)20C； 2.高溫時(shí)性能良好：外部溫度65時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95， 電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好； 3.即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全 性最好； 4.極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%； 5.過(guò)放電到零伏也無(wú)損壞； 6.可快速充電； 7.低成本； 8.對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

9、 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用 1. 大型電動(dòng)車(chē)輛：公交車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、景點(diǎn)游覽車(chē)及混合動(dòng)力車(chē)等；2. 輕型電動(dòng)車(chē)：電動(dòng)自行車(chē)、高爾夫球車(chē)、小型平板電瓶車(chē)、鏟車(chē)、清潔車(chē)、電動(dòng)輪椅等；3. 電動(dòng)工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等；4. 遙控汽車(chē)、船、飛機(jī)等玩具；5. 太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備；6. UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；7. 替代照相機(jī)中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；8. 小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實(shí)例磷酸鐵鋰動(dòng)力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實(shí)例 采用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池，其重

10、量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數(shù)約100次，使用時(shí)間約1年。若采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，采用同樣的360Wh能量（12個(gè)10Ah電池串聯(lián)組成），其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數(shù)可達(dá)1000次，使用壽命可達(dá)35年。雖然說(shuō)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的價(jià)格較鉛酸電池高得多，但總的經(jīng)濟(jì)效果還是采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池更好，并且在使用上更輕便。三. LiFePO4電池的應(yīng)用 小型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池小型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池 小型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是標(biāo)準(zhǔn)的，有圓柱形及長(zhǎng)方形。如圓柱型的型號(hào)有18650、26650等。型號(hào)中前兩位是表示直徑，后兩位或三位表示高度（單位為mm），即18650的尺寸的直徑

11、為18，高度為65。長(zhǎng)方形的型號(hào)有103450R、183665R等。其前兩位是電池的厚度、中間兩位是電池的寬度，后兩位是電池的長(zhǎng)度（單位為mm）。電池生產(chǎn)工廠(chǎng)往往在型號(hào)前加三個(gè)英文字母作廠(chǎng)標(biāo)，例如型號(hào)為18650。 保護(hù)板：保護(hù)板： 以鋰離子電池為例以鋰離子電池為例 四. 鋰電池保護(hù)板功能：功能：一次保護(hù)，即過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保 護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)，在保護(hù)動(dòng)作后,若符合恢復(fù)條件,電池就可恢復(fù)到正常狀態(tài),繼續(xù)使用.什么是保護(hù)板 單節(jié)電池保護(hù)板原理及構(gòu)成單節(jié)電池保護(hù)板原理及構(gòu)成 保護(hù)板有兩個(gè)核心部件：一塊保護(hù)IC，它是由精確的比較器來(lái)獲得可靠的保護(hù)參數(shù)；另外是MOSFET串在主充放電回路中擔(dān)

12、當(dāng)高速開(kāi)關(guān)，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。o電路原理圖如下：保護(hù)IC個(gè)引腳功能。保護(hù)板端口說(shuō)明NTC（T端口）的作用保護(hù)板工作過(guò)程： 24S鋰離子電池鋰離子電池 對(duì)講機(jī)電池?cái)?shù)碼電池電腦電池 筆記本電池包的組成的組成NTC/PTC溫控開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電子線(xiàn)鎳片等電芯膠殼PCM膠殼溫度保護(hù)元件電子線(xiàn)鎳片導(dǎo)熱硅脂 筆記本電池PCMAFE(保護(hù)控制)Gas guage(電量計(jì))二次過(guò)壓保護(hù)PACK-PACK+SMBCSMBD 三端可控FUSESCLSDA NB電池原理圖 此電路圖有四大模塊：模擬前端控制此電路圖有四大模塊：模擬前端控制AFE BZ29330實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的一次保護(hù)；常規(guī)的一次保護(hù)； gas gauge IC B

13、Q20Z90-可精確監(jiān)測(cè)阻抗改變或由電池老化、溫度以及循環(huán)模式造成的電阻，從而準(zhǔn)確預(yù)計(jì)雙節(jié)池組、三節(jié)電池組和四節(jié)電池組的運(yùn)行時(shí)間；MOS模塊開(kāi)關(guān)作用；二次保護(hù)電池包過(guò)壓保護(hù)/三端可控FUSE及NTC溫度保護(hù)等 單節(jié)電池的一次保護(hù)外，筆記本電池增加二次保護(hù)。單節(jié)電池的一次保護(hù)外，筆記本電池增加二次保護(hù)。二次保護(hù)是相對(duì)基本保護(hù)而言的,只是一種通俗的說(shuō)話(huà).它分好多種,二次過(guò)充電保護(hù)控制（對(duì)整個(gè)電池包的電壓進(jìn)行監(jiān)控）.它是在基本保護(hù)電路失效后來(lái)動(dòng)作的 動(dòng)力電池動(dòng)力電池5S 以上以上 有三種：有三種：1僅僅簡(jiǎn)單的保護(hù)僅僅簡(jiǎn)單的保護(hù) 2保護(hù)外增加保護(hù)外增加 gas gauge功能，一功能，一 般此兩項(xiàng)般此兩項(xiàng)已經(jīng)集成于已經(jīng)集成于1個(gè)芯片上。個(gè)芯片上。 3在在2的基礎(chǔ)上增加均衡功能的基礎(chǔ)上增加均衡功能 Gas gauge 或 fuel gauge，原義是指機(jī)動(dòng)車(chē)等油量計(jì)量表，這里引申到電池電量的計(jì)量中，取形象意義，表示給