磷酸铁锂动力电池化学特性分析与应用

宋真玉

（陕西工业职业技术学院 汽车工程学院，陕西 咸阳 712000）

磷酸铁锂动力电池化学特性分析与应用

宋真玉

（陕西工业职业技术学院 汽车工程学院，陕西 咸阳 712000）

以磷酸铁锂动力电池为基础，详细分析其结构和性能特征，表现出磷酸铁锂电池的优越性能。然后从正负极材料和电解液构成和制备方法方面阐述了其特征，最后从其充放电原理和SOC特点研究了作为动力电池磷酸铁锂的优势，并指出在新能源汽车快速发展的今天，磷酸铁锂电池应用的广泛性。

新能源汽车；磷酸铁锂；性能；应用

0 引言

随着汽车工业的不断发展，环境污染和能源过度消耗已成为大众的共识。因此，大力发展新能源汽车成为解决此问题的途径之一。电动汽车是新能源汽车的重要组成，但却存在许多亟待解决的问题。动力蓄电池是电动汽车的动力源，目前许多蓄电池存在能量密度低、电动汽车续驶里程较短、电池一次充电速度较慢等问题[1]。本文以磷酸铁锂动力电池为研究对象，从其结构和充放电特点出发，重点研究其充电特性，为电动汽车的发展提供一定的理论依据。

1 磷酸铁锂电池的特点

1.1 磷酸铁锂电池结构特点

磷酸铁锂（LiFePO4）电池一般是指用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料的锂离子电池。而其负极则是由石墨组成，中间为隔膜，隔膜的材质一般为PP/PE/PP。其内部结构如图1所示。

图1 LiFePO4电池内部结构

1.2 磷酸铁锂电池性能特点

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池与其它可充电动力电池主要性能的比较如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池性能特点

种类参数普通Li-ion电池LiFePO4电池单位体积能量280～300 220～240 200～220 220～240循环寿命60% 100次85% 300 Li-ion动力电池NiMH电池次<50%50次>95%500次安全可能燃烧、爆炸可能燃烧、爆炸可能燃烧不燃烧

由表1可知，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池在蓄电池关键性能参数中都有领先与其它动力电池，尤其是能量密度和循环寿命方面都要强于其它动力电池，而且在安全性和易储存性能方面也表现出了很明显的优势。

2 磷酸铁锂电池的组成

2.1 磷酸铁锂电池正极材料

由于国际能源危机的日益加剧，新能源汽车动力电池的研究也日益激烈。针对磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的研究也越来越广泛，更重要的是磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的应用范围不断增加，所以磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池正极材料的研究越来越受到重视。

目前，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池正极主要制备方法有碳热还原法，碳热还原法在抑制颗粒粒径生长、提高导电率等方面具有优势[2]。

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池正极材料也存在着很多不足之处，比如：LiFePO4离子扩散率不高，所以其在特殊状况下的导电性能就比较差。为了增加正极材料的活性，最常用的方法是对其进行掺杂，常用的掺杂元素包括Mg，Ti，Cr，B，Al，Mn，Zr和La等[3]。

2.2 磷酸铁锂电池负极材料

LiFePO4动力电池正极材料和负极材料的研究同步进行。正极材料的制备和固有缺陷问题渐渐被解决，负极材料的研究也在加快进行中。石墨是其常用的负极材料，层状结构，更有利于Li离子嵌入，且导电性能好。除石墨外，易石墨化碳（软碳）与难石墨化碳（硬碳）也可作为电池负极材料[4]。

除以上几种C元素负极材料外，还有其他Li元素。过渡金属的化合物也是较为理想的负极材料。其中如Li的Co氮化物在用作负极材料后导电性能好得到了非常好的提升，钛酸锂（Li4Ti5O12）也可作为磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的负极材料。

2.3 磷酸铁锂电池电解液

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的正负极材料是现今的研究重点之一，而电解液的研究却相对较为缓慢，常见的电解液为电解质溶剂、固态聚合物电解质、高电压（功率）电解液，以及高低温电解液等[5]。

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池电解液采用电解液添加剂目的很明确，在于降低离子在其内部的分解、提高极端环境下的稳定性，其常用添加剂为含P化合物；而采用固态聚合物电解质的只要指向是提高电解质和正负极材料的接触效率，从而提高电池的性能；而采用高电压电解液和高温电解液，则分别可以提高动力电池的循环稳定性和耐久性。

3 磷酸铁锂电池充放电原理

目前，磷酸铁锂动力电池其单体理论比容量为170mAh/g，在具体生产中，产品实际比容量也已超过140mAh/g（25°C），在100%DOD条件下，可以充放电2000次以上，由此可见，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池具有很好基本特性和充放电性能。

3.1 磷酸铁锂电池充电原理

电池在充电时，正极的离子、电子得失如下：

电池在充电时，其充入的能量可按下式计算：

式中，Ich为充电电流（A），tch为充电时间（h），Cch为磷酸铁锂电池的充电容量（Ah）。

3.2 磷酸铁锂电池放电原理

电池在放电时，正极的离子、电子得失如下：

随着时间的不断变化，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的放电电流也不断变化，变化中的参量可以通过积分来计算，所以其容量为：

式中，Idis为放电电流（A），tdis为放电时间（h），Cdis为放电容量（Ah）。

3.3 磷酸铁锂电池SOC特点

通常，人们用电池的荷电状态（State Of Charge-SOC）反应磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池的剩余电量。

具体来说，SOC即为电池剩余容量和电池总容量的比值，即：

式中，CR为电池剩余容量，Csum为磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池所能释放出的最大容量。

由以上分析知，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池在充电过程中，Li离子不断由从正极脱出，然后向负极移动；电量即将达到饱和时，Li离子几乎完全嵌到负极，形成过充电保护电压，对蓄电池的安全性的提高有很大帮助。

4 结语

目前，磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池是新能源汽车动力蓄电池的重要选择之一，在对其进行更加深入的研究之后，发现不论其正负极材料、电解液，还是其SOC值的特点都具有先天的优势，其各项优秀性能也得到汽车制造商和产生厂家的广泛认可，不但在可再生能源储备领域可以广泛应用，而且在新能源的开发和制备领域也得到使用，其也是新能源汽车动力电池最佳的选择。

[1]DOUGHTY D H，BUTLER P C，JUNGST R G，et al.Lithium battery thermal models[J]. Journal of Power Sources，2002，110（2）：357-363.

[2]潘宏斌，赵家宏，冯夏至，等.仿真分析技术在镍氢电池模组结构优化设计中的应用[J]. 机械工程学报，2005，40（12）：58-61.

[3]魏学哲，孙泽昌，田佳卿，等. 锂离子动力电池参数辨识与状态估计[J].同济大学学报（自然科学版），2008，36（2）: 231-235.

[4]徐伟.锂电池管理系统研究与设计方案[D].重庆：重庆大学，2010.

[5]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京：清华大学，2011.

Chemical characteristics analysis and application of lithium iron phosphate power battery

Song Zhenyu
(School of automotive engineering, Shaanxi Industrial Vocational College, Xianyang 712000, China)

The lithium iron phosphate battery based on a detailed analysis of its structure and performance characteristics, show superior performance of lithium iron phosphate battery. Then from the positive and negative electrode materials and electrolyte composition and preparation method of its characteristics, finally from the charge discharge principle and SOC to study the characteristics of lithium iron phosphate battery as power the advantages, and pointed out that in the new energy automobile fast development today, extensive application of lithium iron phosphate battery.

new energy vehicle; lithium iron phosphate; performance; application

宋真玉（1987— ），男，河南郑州人，硕士研究生，助教；研究方向：汽车运用、汽车新能源。