磷酸鐵鋰電池應(yīng)用

由于磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有上述特點(diǎn)，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(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;

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;

電動(dòng)工具:電鉆、電鋸、割草機(jī)等;

遙控汽車(chē)、船、飛機(jī)等玩具;

太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)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(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);

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

這里舉一個(gè)用磷酸鐵鋰動(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)3~5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。

一種材料是否具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，除了關(guān)注其優(yōu)點(diǎn)外，更為關(guān)鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)甚至是證券公司等市場(chǎng)分析員都看好這一材料，將其作為動(dòng)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(diǎn):首先是受到美國(guó)研發(fā)方向的影響，美國(guó)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(guó)內(nèi)一直沒(méi)有制備出可供動(dòng)力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲(chǔ)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(lái)主要有以下幾點(diǎn):

1、在磷酸鐵鋰制備時(shí)的燒結(jié)過(guò)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(huì)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(dòng)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(shí)密度與壓實(shí)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(méi)有解決這一問(wèn)題。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)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(shí)候，他用terrible來(lái)形容，他們對(duì)磷酸鐵鋰型鋰離子電池測(cè)試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無(wú)法使電動(dòng)汽車(chē)行駛。盡管也有廠家宣稱(chēng)磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯(cuò)，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(wú)法啟動(dòng)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(lái)了其它問(wèn)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(duì)環(huán)境要求苛刻等問(wèn)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(huì)使得最終單位儲(chǔ)能電量的成本較高。

4、產(chǎn)品一致性差。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問(wèn)題。從材料制備角度來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)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(guò)程中，很難保證反應(yīng)的一致性。

5、知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)?993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(qǐng)結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專(zhuān)利被美國(guó)德州大學(xué)所有，而碳包覆專(zhuān)利被加拿大人所申請(qǐng)。這兩個(gè)基礎(chǔ)性專(zhuān)利是無(wú)法繞過(guò)去的，如果成本中計(jì)算上專(zhuān)利使用費(fèi)的話，那產(chǎn)品成本將會(huì)進(jìn)一步提高。

此外，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國(guó)家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場(chǎng)。而美國(guó)盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先，但是到目前為止還沒(méi)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(dòng)力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國(guó)，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動(dòng)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(shí)支持這兩種體系的研發(fā)。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問(wèn)題，很難作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車(chē)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(chǔ)存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)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(jìn)展、有望取代傳統(tǒng)鋰電池的報(bào)道接連不，讓我們看到了手機(jī)、平板擁有更長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的希望，不過(guò)可惜大部分都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，何時(shí)乃至能否大規(guī)模投入商用都不好說(shuō)。2012年8月，新能源公司Deboch TEC.GmbH又帶來(lái)了一種更接近現(xiàn)實(shí)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(shū)顯示，在使用復(fù)合納米材料后，單節(jié)32650規(guī)格(直徑32mm/長(zhǎng)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(jī)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(dá)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(jì)算，可以連續(xù)使用24年之久，是名符其實(shí)的長(zhǎng)壽電池。

這種新型電池技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于便攜移動(dòng)電源、小型UPS、筆記本電池、汽車(chē)電瓶等各種設(shè)備，而且針對(duì)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(jí)的為金色，循環(huán)次數(shù)為3000次;民用汽車(chē)領(lǐng)域中使用藍(lán)色，2500次;綠色的、2000次的適用于小型便攜式移動(dòng)設(shè)備。

(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(kāi)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(duì)值不超過(guò)0.5mW，10mW以上的不超過(guò)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(guò)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(jìn)行充電后放電，其外觀應(yīng)無(wú)明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，其測(cè)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(jí)4的要求;試驗(yàn)后，其外觀應(yīng)無(wú)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(jí)B的要求;試驗(yàn)后，其外觀應(yīng)無(wú)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(jí)B的要求;試驗(yàn)后，其外觀應(yīng)無(wú)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(jí)4的要求;試驗(yàn)后，其外觀應(yīng)無(wú)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(zhuān)用電池管理系統(tǒng)(BMS)，BMS顯示的各種參數(shù)值與電池組實(shí)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(bǔ)償功能。電池組充電應(yīng)具有溫度補(bǔ)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(jiàn)YD/T1363.3中的蓄電池檢測(cè)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(hào)輸出端子。

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

遙測(cè):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(guò)充/過(guò)流告警、電池組放電欠壓/過(guò)流告警、電芯充電過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)。

遙調(diào)(可選):電池組的充電/放電管理參數(shù)等。

(9)保護(hù)與告警功能

1)過(guò)充電保護(hù)。電池組處于過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，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(guò)放電保護(hù)。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(hù)。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(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)工作;瞬時(shí)充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱(chēng)電壓。

4)反接保護(hù)。電池組規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，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(dòng)恢復(fù)工作;瞬時(shí)充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱(chēng)電壓。

5)過(guò)載保護(hù)。電池組放電電流達(dá)到過(guò)載保護(hù)電流值時(shí)，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(dòng)恢復(fù)工作;瞬時(shí)充電后，電池組電壓應(yīng)不小于標(biāo)稱(chēng)電壓。

6)溫度保護(hù)。當(dāng)溫度達(dá)到表2中保護(hù)點(diǎn)范圍時(shí)，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(hù)外，溫度達(dá)到表2中恢復(fù)點(diǎn)范圍時(shí)，電池組應(yīng)自動(dòng)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(hù)

(10)安全性能分類(lèi)

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

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

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

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

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

6)高溫儲(chǔ)存。電芯按規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)，爆炸電池沒(méi)有任何部分穿透網(wǎng)屏，沒(méi)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(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)不起火、不爆炸。

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

10)抗低壓。電池組按規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)后，其外觀應(yīng)無(wú)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(dòng)。電池組按規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，其外觀應(yīng)無(wú)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(jìn)行試驗(yàn)，其外觀應(yīng)無(wú)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(jìn)行試驗(yàn)，其應(yīng)不漏液、冒煙、起火或爆炸;電池組外觀無(wú)破裂，無(wú)質(zhì)量損失，容量不低于初始狀態(tài)時(shí)的70%。

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

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