锂电池磷酸铁锂.docx

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锂电池磷酸铁锂

锂电池---磷酸铁锂

2020-01-1413:

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一、  磷酸铁锂电池定义

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。

其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。

磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。

从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。

磷酸铁锂由于具有安全性与循环寿命优势、材料成本的诱惑，正在逐步进入锂离子动力电池市场。

二、  磷酸铁锂正极材料

1997年首次报导磷酸铁锂（LiFePO4）具有脱嵌锂功能。

该材料具有橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料,LiMPO4（M：

Mn，Fe，Co，Ni）,成为很有潜力的锂离子电池正极材料。

磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。

同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。

该材料具有发上图所示的晶体结构。

工作电压范围：

～，平台约，比钴酸锂电池低一些。

由于该材料导电性差，需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率；或掺杂金属离子来提高导电性。

这样材料的密度低，做成电池的体积比容量低，只有180Wh/L（钴酸锂可做到400Wh/L以上），在小电池领域，同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。

三、  磷酸铁锂电池及其优缺点

磷酸铁锂的优点：

1、安全。

磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。

当然它和其它磷酸盐的安全性能也基本一样，用磷酸铁锂做电池，绝对不用担心爆炸问题的存在。

2、稳定性高。

包括高温充电的容量稳定性好，储存性能好等。

这点是最大的优点，在所有知道的材料中，也是最好的。

3、环保。

整个生产过程清洁无毒。

所有原料都无毒。

不像钴是有毒的物质。

4、价格便宜。

磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜，无战略资源及稀有资源。

磷酸铁锂的缺点：

1、导电性差。

这个问题是其最关键的问题。

磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。

但是，这个问题目前已经可以得到完美的解决：

就是添加C或其它导电剂。

实验室报道可以达到160mAh/g以上的比容量。

我们公司生产的磷酸铁锂材料在生产过程中已经添加了导电剂，不需要制作电池时添加。

实际上材料应该为：

LiFePO4/C，这样一个复合材料。

2、振实密度较低。

一般只能达到，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。

这一缺点决定了它在小型电池如手机电池等没有优势。

即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。

这一缺点在动力电池方面不会突出。

因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。

3、目前研究开发还不深入。

目前以磷酸铁锂作为正极材料的产业化情况并不乐观。

因为还是最近两年发展起来的，所以各方面的研究还需要继续深入。

四、   其它

在动力电池领域，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，使其一直在动力电池门外徘徊，始终没有完全进入动力电池领域。

现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始终没有大批量的进行商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段，目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。

在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料，其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品，在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的20年内可能会取代铅酸电池，成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源，成为二次电池的老大。

现在磷酸铁锂最主要的问题是容量偏低,制造成本偏高,在电池生产上加工困难（制浆,拉浆,辊轧等工序都需要特殊处理,很多企业不能很好的处理）倍率放电不稳定（需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大）而现在电器的使用趋势是小巧型发展,所以对电池也有同样的要求高体积能量密度.从容量上看磷酸铁锂没有前途,在特定的电池领域使用较有优势，如动力电池。

磷酸铁锂振实密度比较低,比表面积很大,需要改变电池先行工艺,而且电池极片的面密度低所以同样型号的电池容量更低。

电解液也需重新开发适用的电解液体系，用现有的成熟电解液难发挥其性能。

另外，由于磷酸铁锂电池的工作电压范围在～，平台为左右，没有批量配套的保护线路和充电器，较难在现有的电子设备上发挥出其特性，需要一个整体的行业整合。

磷酸铁锂电极材料要紧用于各类锂离子电池.

　　磷酸铁锂电极材料要紧用于动力锂离子电池.

　　自1996年日本的NTT第一次揭露AyMPO4（A为碱金属，M为CoFe二者之组合:

LiFeCOPO4）的橄榄石结构的锂电池正极材料以后,1997年美国德克萨斯州立大学John.B.Goodenough等研究群，也接着报导了LiFePO4的可逆性地迁入脱出锂的特性，美国与日本不约而同地发表橄榄石结构（LiMPO4）,使得该材料受到了极大的重视，并引发普遍的研究和迅速的进展。

与传统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相较，LiMPO4的原物料来源更普遍、价钱更低廉且无环境污染。

　　磷酸铁锂性能

　　1.高能量密度，其理论比容量为170mAh/g，产品实际比容量可超过140mAh/g（,25°C）;

　　2.平安性，是目前最平安的锂离子电池正极材料；不含任何对人体有害的重金属元素；

　　3.寿命长。

在100%DOD条件下，能够充放电2000次以上；（缘故：

磷酸铁锂晶格稳固性好，锂离子的嵌入和脱出对晶格的阻碍不大，故而具有良好的可逆性。

存在的不足是电子离子传到率差，不适宜大电流的充放电，在应用方面受阻。

解决方式：

在电极表面包覆导电材料、搀杂进行电极改性。

）

　　4.无经历效应；

　　5.充电性能，磷酸铁锂正极材料的锂电池，能够利用大倍率充电，最快可在1小时内将电池充满。

　　具体的物理参数：

　　松装密度：

cm

　　振实密度：

cm

　　中位径2­­——4um

　　比表面积＜30m/g

　　涂片参数：

　　LiFePo4:

C:

PVDF=90:

3:

7

　　极片压实密度：

　　电化性能：

　　克容量＞140mAh/g测试条件：

半电池，，电压　　循环次数1000次

　　国内国际磷酸铁锂材料生产商：

　　国内：

天津斯特兰北大先行湖南瑞翔苏州恒正其中天津斯特兰此刻材料稳固批量产业化生产北大先行小批量生产国际：

加拿大Phostech、美国Valence、美国A123、日本sony.其中A123规模最大且取得美国政府的大力资助。

　　新颖性及特点

　　磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。

目前全世界已经有很多厂家开始了工业化生产，国外美国Valence（威能）公司和A123（高博），国内天津斯特兰，北大先行等。

其特点是放电容量大，价钱低廉，无毒性，不造成环境污染。

世界各国正竞相实现产业化生产。

　　可是其振实密度低，阻碍电容量。

　　目前要紧的生产方式为活法，产品指标不稳固。

　　锂离子电池的性能要紧取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料是近几年才显现的事，国内开发出大容量是2005年7月。

其平安性能与循环寿命是其它材料所无法相较的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。

1C充放循环寿命达2000次。

单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。

磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联利用。

以知足频繁充放电的需要。

具有无毒、无污染、平安性能好、原材料来源普遍、价钱廉价，寿命长等优势，是新一代锂离子电池的理想正极材料。

　　本项目属于高新技术项目中功能性能源材料的开发，是国家“863”打算、“973”打算和“十一五”高技术产业进展计划重点支持的领域。

　　目前锂离子电池仍是以小容量、低功率电池为主，中大容量、中高功率的锂离子电池尚未大规模生产，使得锂离子电池在中大容量UPS、中大型储能电池、电动工具、电动汽车中尚未取得普遍应用。

其中一个重要缘故是锂离子电池正极材料尚未取得重大冲破。

　　正极材料是锂离子电池的重要组成部份。

　　迄今研究最多的正极材料是LiCoO二、LiNiO二、LiMn2O4及以上三种材料的衍生物，如、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等。

　　LiCoO2是唯一大规模商品化的正极材料，目前90%以上的商品化锂离子电池采纳LiCoO2作为正极材料。

LiCoO2的研究比较成熟，综合性能优良，但价钱昂贵，容量较低，存在必然的平安性问题。

　　LiNiO2本钱较低，容量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在较为严峻的平安问题。

可看成LiNiO2和LiCoO2的固溶体，兼有LiNiO2和LiCoO2的优势，一度被人们以为是最有可能取代LiCoO2的新型正极材料，但仍存在合成条件较为苛刻（需要氧气气氛）、平安性较差等缺点，综合性能有待改良；同时由于含较多昂贵的Co，本钱也较高。

　　尖晶石LiMn2O4本钱低，平安性好，但循环性能尤其是高温循环性能差，在电解液中有必然的溶解性，贮存性能差。

　　新型的三元复合氧化物镍钴（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）材料集中了LiCoO二、LiNiO二、LiMn2O4等材料的各自优势：

本钱与相当，可逆容量大，结构稳固，平安性较好，介于和LiMn2O4之间，循环性能好，合成容易；但由于含较多昂贵的Co，本钱也较高。

对中大容量、中高功率的锂离子电池来讲，正极材料的本钱、高温性能、平安性十分重要。

　　上述LiCoO二、LiNiO二、LiMn2O4及其衍生物正极材料尚不能知足要求。

因此，研究开发能用于中大容量、中高功率的锂离子电池的新型正极材料成为当前的热点。

　　正交橄榄石结构的LiFePO4正极材料已慢慢成为国内外新的研究热点。

初步研究说明，该新型正极材料集中了LiCoO二、LiNiO二、LiMn2O4及其衍生物正极材料的各自优势：

不含珍贵元素，原料廉价，资源极大丰硕；工作电压适中（）；平台特性好，电压极平稳（可与稳压电源媲美）；理论容量大（170mAh/g）；结构稳固，平安性能极佳（O与P以强共价键牢固结合，使材料很难析氧分解）；高温性能和热稳固性明显优于已知的其它正极材料；循环性能好；充电时体积缩小，与碳负极材料配合时的体积效应好；与大多数电解液系统兼容性好，贮存性能好；无毒，为真正的绿色材料。

　　与LiCoO二、LiNiO二、LiMn2O4及其衍生物正极材料相较，LiFePO4正极材料在本钱、高温性能、平安性方面具有突出的优势，可望成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。

　　该材料的产业化和普及应用对降低锂离子电池本钱，提高电池平安性，扩大锂离子电池产业，增进锂离子电池大型化、高功率化具有十分重大的意义，将使锂离子电池在中大容量UPS、中大型储能电池、电动工具、电动汽车中的应用成为现实。

　　但是，磷酸铁锂堆积密度低的缺点一直受到人们的轻忽和回避，尚未取得解决，阻碍了材料的实际应用。

钴酸锂的理论密度为cm3，商品钴酸锂的振实密度一样为；而磷酸铁锂的理论密度仅为cm3，本身就比钴酸锂要低得多。

　　为提高导电性，人们掺入导电碳材料，又显著降低了材料的堆积密度，使得一样掺碳磷酸铁锂的振实密度只有。

如此低的堆积密度使得磷酸铁锂的体积比容量比钴酸锂低很多，制成的电池体积将十分庞大，不仅毫无优势可言，而且很难应用于实际。

　　因此，提高磷酸铁锂的堆积密度和体积比容量对磷酸铁锂的有效化具有决定意义。