磷酸铁锂电池的主要工作原理是什么

磷酸铁锂电池的主要工作原理是什么,第1张

锂离子电池内部主要由正极负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的性能,并且有不同的名称。目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4),另外还有少数采用镍酸锂(LiNiO2)作正极材料的锂离子电池。新开发的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂(LiFePO4,简称LFP)材料作电池正极的锂离子电池,它是锂离子电池家族的新成员。

图1:磷酸铁锂电池工作原理

磷酸铁锂电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,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。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。

LiFePO4电池在充电时,正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

由于磷酸铁锂电池具有无可比拟的优势,可广泛应用于多个领域。根据市场普及程度,磷酸铁锂应用大致分三个阶段:

第一阶段(目前较为广泛):

1.电动工具:电钻、电锯、割草机等;

2.遥控汽车、船、飞机等玩具;

3.不间断电源(UPS)及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好);

4、替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池(尺寸完全相同);

第二阶段(目前正在兴起):

1.轻型电动车:电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等;

2.太阳能及风力发电的储能设备;

3.小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

第三阶段(目前靠政府推动):

1.大型电动车辆:公交车、汽车、景点游览车及混合动力车等。

正极材料:磷酸铁锂,PVDF,导电炭黑,NMP(溶剂)。负极材料:一般石墨,PVDF,导电炭黑,NMP(溶剂)。当然粘结剂也有用水系的。磷酸铁锂电池,是一种使用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料,碳作为负极材料的锂离子电池,单体额定电压为3.2V,充电截止电压为3.6V~3.65V。

特点

在LiFePO4的晶体结构中,氧原子呈六方紧密堆积排列。PO43-四面体和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PO43-四面体共棱。


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