磷酸鐵鋰電池

由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它主要應(yīng)用領(lǐng)域有:

大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車等;

輕型電動車:電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等;

電動工具:電鉆、電鋸、割草機等;

遙控汽車、船、飛機等玩具;

太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備;

UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);

替代照相機中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);

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

這里舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實例。采用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數(shù)約100次，使用時間約1年。若采用磷酸鐵鋰動力電池，采用同樣的360Wh能量(12個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1000次，使用壽命可達3~5年。雖然說磷酸鐵鋰動力電池的價格較鉛酸電池高得多，但總的經(jīng)濟效果還是采用磷酸鐵鋰動力電池更好，并且在使用上更輕便。

(1)工作溫度范圍

電池組在下列環(huán)境溫度條件下使用:

--充電環(huán)境溫度:?10℃~55℃;

--放電環(huán)境溫度:?20℃~60℃。

(2)電氣性能

電池模塊內(nèi)電芯性能一致性。

電池模塊內(nèi)各電芯應(yīng)為同一廠家生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)相同、化學(xué)成分相同的產(chǎn)品，且符合下列要求:

1)電池模塊內(nèi)各電芯之間的靜態(tài)開路電壓最大值與最小值的差值應(yīng)不大于0.05V;

2)電池模塊內(nèi)各電芯之間的靜態(tài)內(nèi)阻最大值與最小值的差值應(yīng)符合:10mW以下的，偏差絕對值不超過0.5mW，10mW以上的不超過平均值的5%;

3)電池模塊內(nèi)各電芯之間容量最大值與最小值的差值應(yīng)不超過平均值的±1%。

(3)容量保存率

電池組容量應(yīng)不低于額定值的95%。

(4)循環(huán)壽命

電池組的循環(huán)壽命應(yīng)為800次~2000次。

(5)高溫加速老化壽命

電池組按規(guī)定進行充電后放電，其外觀應(yīng)無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，其測試循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于52次。

(6)電磁兼容性

1)靜電放電抗擾性。電池組應(yīng)滿足GB/T17626.2-2006等級4的要求;試驗后，其外觀應(yīng)無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

2)傳導(dǎo)騷擾限值。電池組應(yīng)滿足YD/T983-1998等級B的要求;試驗后，其外觀應(yīng)無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

3)輻射騷擾限值。電池組應(yīng)滿足YD/T983-1998等級B的要求;試驗后，其外觀應(yīng)無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

4)浪涌(沖擊)抗擾性。電池組應(yīng)滿足GB/T17626.5-2008等級4的要求;試驗后，其外觀應(yīng)無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

(7)電池管理功能

1)顯示精度。電池組配有專用電池管理系統(tǒng)(BMS)，BMS顯示的各種參數(shù)值與電池組實際的參數(shù)值之間的誤差應(yīng)符合表1的要求。

表1 顯示精度

2)溫度補償功能。電池組充電應(yīng)具有溫度補償功能。

(8)監(jiān)控功能

1)通信接口。電池組宜具有RS232或RS485/422、IP、USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，通信協(xié)議參見YD/T1363.3中的蓄電池檢測裝置通信協(xié)議，應(yīng)提供與通信接口配套使用的通訊線纜和各種告警信號輸出端子。

2)監(jiān)控內(nèi)容。電池組應(yīng)具有以下實時監(jiān)控功能。

遙測:電池組容量(SOC)、電池組/電芯電壓、電池組/電芯電流、環(huán)境/電池組/PCBA板(可選)/電芯溫度(可選)、電池組充電/放電電流、電池組內(nèi)阻(可選)、電池組健康狀態(tài)SOH(可選)等。

遙信:電池組的充電/放電狀態(tài)、電池組過充/過流告警、電池組放電欠壓/過流告警、電芯充電過壓告警、電芯放電欠壓告警、電池組極性反接告警、環(huán)境/電池組/PCBA/電芯高溫告警、環(huán)境低溫告警、電池組容量過低告警、電池組溫度/電壓/電流傳感器失效告警、電芯失效告警(可選)、電池組失效告警(可選)。

遙控:充電/放電(可選)，告警聲音開關(guān)。

遙調(diào)(可選):電池組的充電/放電管理參數(shù)等。

(9)保護與告警功能

1)過充電保護。電池組處于過充電狀態(tài)時，應(yīng)切斷充電電路并告警，電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸。

2)過放電保護。電池組放電至終止電壓后，應(yīng)切斷放電電路并告警，電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸。

3)短路保護。電池組輸出端發(fā)生短路，應(yīng)瞬間切斷電路并告警，電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后，應(yīng)能手動或自動恢復(fù)工作;瞬時充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱電壓。

4)反接保護。電池組規(guī)定進行試驗，應(yīng)切斷電路并告警，電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后，應(yīng)能自動恢復(fù)工作;瞬時充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱電壓。

5)過載保護。電池組放電電流達到過載保護電流值時，應(yīng)切斷電路并告警，電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后，應(yīng)能自動恢復(fù)工作;瞬時充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱電壓。

6)溫度保護。當(dāng)溫度達到表2中保護點范圍時，電池組應(yīng)切斷電路并告警;除電池組內(nèi)部BMS元器件高溫保護外，溫度達到表2中恢復(fù)點范圍時，電池組應(yīng)自動恢復(fù)工作;電池組應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸。

表2 溫度保護

(10)安全性能分類

1)抗重物沖擊。電池組按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

2)抗熱沖擊。電池組按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

3)抗過充電。電池模塊按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

4)抗過放電。電池模塊按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

5)抗短路。電池模塊按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

6)高溫儲存。電芯按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸。

7)抗加熱。電池模塊按規(guī)定進行試驗，爆炸電池沒有任何部分穿透網(wǎng)屏，沒有部分或全部電池突出網(wǎng)屏。

8)抗穿刺。電池組按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

9)抗擠壓。電池模塊按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。

10)抗低壓。電池組按規(guī)定進行試驗，應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸。

11)恒定濕熱。電池組按規(guī)定進行試驗后，其外觀應(yīng)無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，其容量應(yīng)不低于額定值的90%。

12)抗振動。電池組按規(guī)定進行試驗，其外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

13)抗碰撞。電池組按規(guī)定進行試驗，其外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

(11)溫度循環(huán)。電池組按6.6.15規(guī)定進行試驗，其應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸;電池組外觀無破裂，無質(zhì)量損失，容量不低于初始狀態(tài)時的70%。

(12)阻燃性能。對于塑料外殼和保護蓋的電池組，按照6.6.16規(guī)定進行測試，外殼應(yīng)符合GB/T2408-2008中第8.3.2條FH-1(水平級)和第9.3.2條FV-0(垂直級)的要求。

(13)絕緣電阻。對于金屬外殼的電池組，電池組正負極接口分別對電池組金屬外殼的絕緣電阻不小于2MW。

一種材料是否具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ岁P(guān)注其優(yōu)點外，更為關(guān)鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。

國內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機構(gòu)、企業(yè)甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料，將其作為動力型鋰離子電池的發(fā)展方向。分析其原因，主要有下列兩點:首先是受到美國研發(fā)方向的影響，美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內(nèi)一直沒有制備出可供動力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲存性能的錳酸鋰材料。但磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結(jié)起來主要有以下幾點:

1、在磷酸鐵鋰制備時的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因。

2、磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。美國阿貢國家實驗室儲能系統(tǒng)中心主任Don Hillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時候，他用terrible來形容，他們對磷酸鐵鋰型鋰離子電池測試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無法使電動汽車行駛。盡管也有廠家宣稱磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯，但是那是在放電電流較小和放電截止電壓很低的情況下。在這種狀況下，設(shè)備根本就無法啟動工作。

3、材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)性能，但是也帶來了其它問題，如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環(huán)境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵鋰中的化學(xué)元素Li，F(xiàn)e與P很豐富，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵鋰產(chǎn)品成本并不低，即使去掉前期的研發(fā)成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會使得最終單位儲能電量的成本較高。

4、產(chǎn)品一致性差。目前國內(nèi)還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅(qū)體以及還原性氣相。在這一復(fù)雜的反應(yīng)過程中，很難保證反應(yīng)的一致性。

5、知識產(chǎn)權(quán)問題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得，并于同年8月19日公布申請結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，如果成本中計算上專利使用費的話，那產(chǎn)品成本將會進一步提高。

此外，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的經(jīng)驗來看，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場。而美國盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先，但是到目前為止還沒有一家大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半，聯(lián)邦政府也是同時支持這兩種體系的研發(fā)。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問題，很難作為動力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。如果能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環(huán)與儲存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢，在動力型鋰離子電池中的應(yīng)用將有巨大的潛力。

最近，有關(guān)新型電池取得進展、有望取代傳統(tǒng)鋰電池的報道接連不，讓我們看到了手機、平板擁有更長續(xù)航時間的希望，不過可惜大部分都停留在實驗室研究階段，何時乃至能否大規(guī)模投入商用都不好說。2012年8月，新能源公司Deboch TEC.GmbH又帶來了一種更接近現(xiàn)實的新能源技術(shù):含鐵的鋰電池。

Deboch TEC.GmbH公布的磷酸鐵鋰電池技術(shù)白皮書顯示，在使用復(fù)合納米材料后，單節(jié)32650規(guī)格(直徑32mm/長度65mm)電芯的能量密度能夠提升到6000mAh，與當(dāng)前業(yè)界32650規(guī)格單節(jié)5000mAh的規(guī)格相比，同等體積提升了足足1000mAh，也就是20%之多，1節(jié)就能給iPhone 4S手機反復(fù)充電差不多4次。

更令人欣喜的是，在單顆低倍率充放電環(huán)境下使用，這種電池在循環(huán)使用多達3000次后，電量依舊保持在80%左右，而普通鋰電池循環(huán)充電500次左右就這德行了。按照每3天充放電一次計算，可以連續(xù)使用24年之久，是名符其實的長壽電池。

這種新型電池技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于便攜移動電源、小型UPS、筆記本電池、汽車電瓶等各種設(shè)備，而且針對不同使用環(huán)境，Deboch TEC.GmbH還按照循環(huán)充電次數(shù)的差異使用了不同的電芯顏色:面向軍工級的為金色，循環(huán)次數(shù)為3000次;民用汽車領(lǐng)域中使用藍色，2500次;綠色的、2000次的適用于小型便攜式移動設(shè)備。