鐵電池

1.ironcell

ironcathode鐵陰極...ironcell鐵電池...ironcement鐵膠合劑 鐵膩?zhàn)予F質(zhì)膠合劑 含鐵水泥

高鐵作為電池的正極材料時(shí), 該電極反應(yīng)為三電子反應(yīng), 電池的電勢(shì)以及能量都比傳統(tǒng)的鋅錳電池高。而且這種材料價(jià)格低廉對(duì)環(huán)境無污染, 因此受到電化學(xué)界的廣泛注意。

高鐵酸鹽物質(zhì)在電池反應(yīng)中可以得到3 個(gè)電子, 所以有相對(duì)較高的容量。 從表1 可以看出, 高鐵酸鋰的理論容量高達(dá)601Ah/kg。高鐵酸鋇的理論容量也有313Ah/kg。而MnO2的容量為308Ah/kg。

以高鐵酸鹽為正極材料取代商業(yè)鋅錳電池中的MnO2即可組成高鐵一次電池。

其電池反應(yīng)為:

MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MznO2

圖1 是高鐵酸鉀-鋅電池和鋅-錳電池放電曲線比較。7號(hào)電池在0.5mA/cm2 的電流密度下恒電流放電, K2FeO4 正極材料對(duì)Zn 的平均放電電壓是1.58V。該電壓高出鋅錳電池平均放電電壓( 1.27V) 24% , 前者的放電容量比后者高32% 。在以上條件下其放電效率為85%。與傳統(tǒng)的鋅錳電池相比, 高鐵一次電池具有高電壓( OPV: 1.9V) 、高能量( 1.55Wh, AAA) 、不消耗電解液和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

鋰鐵電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由于其性能特別適合于動(dòng)力方面的應(yīng)用，因而也有人叫它"鋰鐵動(dòng)力電池"。(以下簡(jiǎn)稱"鋰鐵電池")

鋰鐵電池的工作原理(LiFePO4)

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，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，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+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來回遷移而命名的。

LiFePO4電池主要性能

LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是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)廠家采用的正、負(fù)極材料、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%)。

磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)放電為2~5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10S)可達(dá)20C;

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;

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;

好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%;

放電到零伏也無損壞;

可正常充電、快速充電;

材料可循環(huán)利用，故成本不高;

環(huán)境無污染。

優(yōu)點(diǎn):壽命長(zhǎng)、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低。

缺點(diǎn):能量密度低、振實(shí)密度低(體積密度)。

未來的電動(dòng)汽車應(yīng)該以小里程、快充電的電動(dòng)汽車為主。而目前家用車需要長(zhǎng)續(xù)航的雙?；旌蟿?dòng)力，以及公交市場(chǎng)的大續(xù)航純電汽車。那么這樣的車需要什么樣的電池?

首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機(jī)和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素，比如車禍造成的電池?cái)D壓和撞擊。而任何一個(gè)不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質(zhì)的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件，雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡。但同時(shí)也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對(duì)車和人并無傷害，而電池卻著火了，那么如果是更嚴(yán)重的事故呢?

普通汽車使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，一輛電動(dòng)汽車的電池，10年至少需要3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利于市場(chǎng)的推動(dòng)。目前世界各車企的電動(dòng)汽車，只有去年上市的比亞迪"秦"做到了電芯終生質(zhì)保。

極寒對(duì)電池的影響，主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少;極熱對(duì)電池的影響，主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。

極寒對(duì)于電池的影響相對(duì)較輕，因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹阆?0度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會(huì)產(chǎn)生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。

能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo)，但是在筆者的分析體系里，能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要。

成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢(shì)，這在本系列第一篇也已經(jīng)計(jì)算過。小里程純電或者混動(dòng)電動(dòng)車，一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成本，另一方面需要降低電池包+保護(hù)設(shè)備的成本。因此我們發(fā)現(xiàn)，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池(以下簡(jiǎn)稱鋰鐵電池)作為鐵電池的一種，一直受到業(yè)界朋友的廣泛關(guān)注(也有人說鋰鐵電池其實(shí)就是鋰離子電池的一種)。就鐵電池而言，它可以分為高鐵電池和鋰鐵電池，今天我們以型號(hào)為STL18650的鋰鐵電池為例，來具體說明一下鋰鐵的電池的放電特性及壽命。

STL18650的鋰鐵電池(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。由圖1中可看出，不管哪一種放電率，其放電過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)，曲線才向下彎曲(放電量達(dá)到800mAh以后才出現(xiàn)向下彎曲)。在0.5~10C的放電率范圍內(nèi)，輸出電 壓大部分在2.7~3.2V范圍內(nèi)變化。這說明該電池有很好的放電特性。

圖1 STL18650的放電特性

容量為1000mAh的STL18650在不同的溫度條件下(從-20~+40℃)的放電曲線如圖2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，STL18650鋰鐵電池可以在-20℃下工作，但輸出能量要降低35%左右。

圖2 STL18650在多溫度條件下的放電曲線

STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線如圖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3的特性曲線可看出，在經(jīng)過570次充放電循環(huán)，其放電容量未變，說明該電池有很高的壽命。

圖3 STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線

過放電到零電壓試驗(yàn)

采用STL18650(1100mAh)的鋰鐵動(dòng)力電池做過放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。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，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)，容量又恢復(fù)到100%。

這試驗(yàn)說明該電池即使出現(xiàn)過放電(甚至到0V)，并存放一定時(shí)間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

鐵電池是在鋰電池基礎(chǔ)上的優(yōu)化、更新。從成本上講，鐵比鋰更低。而且，鐵是地球上含量第二豐富的金屬元素，到處可以取得，所以具有先天的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)比原來的鋰電池造價(jià)更低的成本優(yōu)勢(shì)，由于鐵電池的定價(jià)跟原材料選用有直接關(guān)系，因而造價(jià)自然會(huì)低很多。

鋰鐵電池具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入/脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰完全相同。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)在于，安全、價(jià)格便宜、環(huán)保。

首先，磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的。它和其他磷酸鹽的安全性能也基本一樣，用磷酸鐵鋰做電池，不用擔(dān)心爆炸問題。

其次，穩(wěn)定性高，高溫充電的容量穩(wěn)定性好，儲(chǔ)存性能好。這點(diǎn)是最大的優(yōu)點(diǎn)，在所有知道的材料中也是最好的。

此外，整個(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒。所有原料都無毒。并且磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料，這些材料都十分便宜。

雖然要想完全市場(chǎng)化仍存在一些現(xiàn)實(shí)問題，如政府的支持力度、消費(fèi)者的認(rèn)同、充電設(shè)備的建設(shè)等，但是隨著技術(shù)的成熟，鋰鐵電池將會(huì)有更好的發(fā)展。

在國(guó)外，有很多生產(chǎn)廠家都在研究動(dòng)力電池，而在國(guó)內(nèi)，但這畢竟是大膽地嘗試了將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，這種商業(yè)化運(yùn)作模式為其他致力于生產(chǎn)電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的企業(yè)帶來了很大的啟示，也為電池制造企業(yè)指了條明路。相信，隨著燃料電池技術(shù)在汽車上的應(yīng)用的不斷成熟，"鐵電池"技術(shù)將會(huì)擁有更大的用武之地。

缺點(diǎn):"鐵電池"生產(chǎn)過程中對(duì)工藝要求非常高，如果把握不好，電池肯定會(huì)出現(xiàn)很多小問題。并且鐵電池的價(jià)格也不菲，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的40Ah容量磷酸鐵鋰電池組成本在3萬元到4萬元之間，如果是120Ah的磷酸鐵鋰電池組，市場(chǎng)價(jià)大約要12萬元。而比亞迪在早些時(shí)候發(fā)布的資料顯示F3DM所用鐵電池組容量為60Ah，這顯然會(huì)造成生產(chǎn)成本居高不下。另外關(guān)于比亞迪的雙模技術(shù)，電池是其企業(yè)的優(yōu)勢(shì)所在，無疑多年的經(jīng)驗(yàn)讓其在"鐵電池"應(yīng)用上占有一定的優(yōu)勢(shì)，但比亞迪在油電切換這一塊的技術(shù)，比豐田通用等等落后很多，根本達(dá)不到像豐田普銳斯那樣地切換自然，相信在這一塊的技術(shù)，比亞迪至少還要研究三五年。這些都是制約F3DM銷售的原因。

關(guān)于應(yīng)用前景，充電站是關(guān)鍵。在全國(guó)范圍內(nèi)，電動(dòng)車的充電站少得可憐，這也是導(dǎo)致包括亞迪F3DM在內(nèi)的電動(dòng)車沒有零售的直接原因。雖然比亞迪曾經(jīng)在F3DM上市時(shí)表示，快速充電站正在建設(shè)當(dāng)中，但卻未給出充電站建設(shè)的具體時(shí)間表。筆者去過比亞迪工廠幾次，在其廠房門口看到了F3DM專用充電站，發(fā)現(xiàn)這種充電站并不是很容易建成的。要建造一個(gè)電動(dòng)車的充電站，成本投入是非常巨大的。而在一個(gè)城市中，至少需要幾百個(gè)充電站才能滿足需求。充電站建設(shè)地址、占地面積都很成問題，并且還有一個(gè)關(guān)鍵的問題是充電時(shí)間的問題，如果一輛車動(dòng)輒要充上幾個(gè)小時(shí)，那么一個(gè)與加油站同等面積的充電站，每天才能充幾十輛車而已。號(hào)稱純電動(dòng)可以續(xù)航400KM的比亞迪E6，實(shí)際應(yīng)用中，只能到200多KM，充電時(shí)間需要8小時(shí)以上(甚至更長(zhǎng))，如果沒有私人車庫，如何在晚上充電時(shí)保障車輛和充電器的安全?

基于多種優(yōu)點(diǎn)，鋰鐵電池常常被人們稱為繼碳性電池、堿性電池后的第三代一次電池，但實(shí)際上目前并沒有出現(xiàn)明顯的取代堿性電池的趨勢(shì)，相關(guān)人士認(rèn)為這是其成本和售價(jià)制約了發(fā)展的緣故。

對(duì)于造成國(guó)內(nèi)鋰鐵電池價(jià)格居高不下的原因，生產(chǎn)廠家做過專門分析，大致歸納為以下幾個(gè)方面:

1、高價(jià)原材料及其帶來的特殊生產(chǎn)環(huán)境及安全要求:造成鋰鐵電池高價(jià)結(jié)果的首要原因是用金屬鋰帶作負(fù)極，比堿性電池的鋅膏高出許多;金屬鋰是活躍元素，因此對(duì)生產(chǎn)環(huán)境中的溫度和濕度都有更高的要求，不但要加裝干燥機(jī)和空調(diào)設(shè)備，還要對(duì)崗位上的工作人員提高工資。鋰鐵電池活躍的負(fù)極金屬鋰，加上電解液易揮發(fā)，正極與隔膜均為可燃物，這些都需要添加相應(yīng)的設(shè)備加以控制，而這些設(shè)備是碳性電池和堿性電池生產(chǎn)中沒有的。

2、對(duì)外依賴性強(qiáng):設(shè)備必須進(jìn)口，由于設(shè)備制造商較少，外國(guó)設(shè)備商可以漫天要價(jià)，而且設(shè)備遇到故障還得求助于他們，在維修過程中，需要高價(jià)進(jìn)口設(shè)備零件及支付高昂維修費(fèi)。同時(shí)，電解液實(shí)際上依賴進(jìn)口，其成分、配方是生產(chǎn)廠家的商業(yè)秘密。

3、生產(chǎn)中的損耗，特別是廢品率高:由于鋰鐵電池的精度要求高，因此，對(duì)原料選擇及人工操作要求較嚴(yán)。材料上的以次充好及采用不合格原料，或者人為誤操作都會(huì)使廢品率出現(xiàn)或提高。

正是上述內(nèi)外原因?qū)е铝虽囪F電池價(jià)格難以降低。另一方面，自2006年以來，國(guó)家對(duì)碳性電池和堿性電池規(guī)定了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的堿性電池均實(shí)現(xiàn)無汞化，這使得鋰鐵電池取代堿性電池失去了環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

鋰鐵電池是一種一次電池(不可充電)，屬于鋰電池的一種。

鋰鐵電池的正極是二硫化亞鐵(FeS2)，負(fù)極是金屬鋰，使用卷繞方式制成電池，放電時(shí)，二硫化亞鐵被還原，金屬鋰被氧化。其能量密度約297Wh/kg，標(biāo)稱電壓是1.5V，新電池開路電壓近1.8V，接負(fù)載時(shí)端電壓1.5V左右 ，相對(duì)于其他品類的鋰電池屬于低壓鋰電池，市場(chǎng)上廣泛使用的型號(hào)是AA型和AAA型。與同型號(hào)的堿性電池和充電電池比較，Li/FeS2電池?zé)o論是從低溫性能、大電流放電能力、還是貯存壽命，都具有明顯的優(yōu)勢(shì) ，實(shí)際工作時(shí)放電電壓可與堿性電池兼容。

鋰鐵電池不同于人們通常所說的鐵鋰電池(LiFePO4)。鐵鋰電池的全稱是磷酸鐵鋰電池，屬于二次鋰離子電池(可充電)。

1、能夠兼容1.5V堿性電池、碳性電池

2、適用于大電流放電。

3、電量充足，其實(shí)際放電容量超過市面上所有的民用一次或二次電池。

4、溫度范圍比其他一次電池寬廣得多，低溫性能優(yōu)異。

5、體積小、重量輕。柱式或者紐扣電池重量只有同型號(hào)碳性電池的70%，堿性電池的 50%。對(duì)于民用住宅內(nèi)的站點(diǎn)，可節(jié)省承重加固的費(fèi)用，進(jìn)一步加速站點(diǎn)的建設(shè)， "節(jié)材"優(yōu)勢(shì)更加明顯。

6、防漏性能明顯更好，貯存性能優(yōu)異，可貯存10年。

7、沒有使用有害材料，不污染環(huán)境。