磷酸鐵鋰電池的特性
已發表: 2023-02-06與鉛酸、鎳氫、鎳鎘電池等傳統水系二次電池相比，磷酸鐵鋰鋰離子電池具有循環壽命長、能量密度高、電池安全性高等優點。 磷酸鐵鋰電池已成為各種電池系統中最有前途的電池系統。 因此，磷酸鐵鋰電池廣泛應用於電動汽車供電、大型儲能、通信基站、電動自行車、太陽能電池板系統等領域。 本文主要對LiFePO4鋰離子電池的循環壽命、高速充放電性能、針刺安全性、重量能量密度等方面進行研究和闡述。
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一、磷酸鐵鋰電池的循環性能
電池作為電動汽車的關鍵部件之一，約佔電動汽車成本的一半。 因此，電池的壽命直接決定了電動汽車的使用成本。 由於磷酸鐵鋰電池的正負極材料化學性能穩定，放電過程中的充電量和電壓變化很小，因此循環壽命很長。 圖1為20Ah 12v鋰離子電池以1C電流充電至3.65V後轉恆壓直至電流降至0.02C； 放電電流為1C，截止電壓為2.0V（充放電深度100%）條件下的循環壽命。
如圖1所示，電池在循環超過1600次後剩餘容量仍為初始容量的80%以上。 雖然目前磷酸鐵鋰供電電池的成本略高於鉛酸電池，但更長的電池壽命將顯著降低電動汽車的使用和維護成本。
2、不同倍率下的放電性能
由於磷酸鐵鋰電池在實際應用中可以以不同的速率放電，因此在一些電池系統中，隨著放電電流的增加，放電容量會迅速下降。 因此，要了解磷酸鐵鋰電池在高倍率下的放電性能，將20Ah磷酸鐵鋰電池分別以0.5C、1C、3C放電。 結果如圖 2 所示。
從圖2可以看出，當放電電流從0.5C增加到3C時，電池的放電容量略有下降，但僅下降了不到5%，說明磷酸鐵鋰電池在高倍率下仍然表現良好工作中。 同時3C放電倍率可以滿足電動汽車在高倍率放電條件下的需求，因此電動汽車具有很強的爬坡和加速能力。
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3、充電功率大
電池的快速充電性能可以使電動汽車在意外情況下使用應急充電方式，這對於電動汽車的使用更加方便。 圖3為實際容量為20Ah的電池，以3C電流充電，達到3.65V，轉為恆壓充電後的測試結果。
從圖3可以看出，在充電初期，電池的容量隨時間呈線性變化。 15分鐘可達55%電量，25分鐘可達90%，30分鐘可達95%以上。 這表明磷酸鐵鋰電池可以以更高的速率充電，並且可以在短時間內將電池充滿。
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4、磷酸鐵鋰電池的安全性
LiFePO4材料化學性質非常穩定，尤其是高溫穩定性非常好。 即使在很高的溫度下也不能分解釋放出氧氣，所以磷酸鐵鋰電池的安全性能非常好。 它們不易燃燒和爆炸等危險。
通過良好的結構設計，進一步提高了安全性，使電池在受到撞擊、針刺、短路等情況下不會燃燒或爆炸。圖4為充滿電的20Ah LiFePO4電池組，鋼材用直徑8mm的釘子快速刺破電池組，記錄電池組的電壓和溫度變化。
由圖4可見，在入釘初期，由於內部短路，電池電壓迅速下降，釋放出一定的熱量，溫度升高。
但由於穿孔後電池內部真空度明顯下降，導致短路接觸部分變形，出現接觸不良。 此時不再有熱量散發，電壓趨於穩定，電池溫度僅略有上升。
5、磷酸鐵鋰電池能量密度
重量能量密度是電池性能的重要指標。 圖5顯示了一個20Ah的磷酸鐵鋰充滿電後以0.3C倍率放電至2.0V。 可以對放電曲線進行積分，得到電池釋放的能量。
經過積分計算，20Ah的磷酸鐵鋰電池釋放出70.7Wh的能量。 電池重量為580g，因此可以計算出磷酸鐵鋰電池的重量能量密度為121.90Wh/kg。
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6. 磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的放電
由於電動汽車的使用地域差異較大，一些地方在冬季出現低溫天氣情況，低溫勢必會對電池性能造成一定的影響。
因此，要了解磷酸鐵鋰電池在低溫下的放電性能，測試將一塊20Ah的磷酸鐵鋰電池在-20℃、-10℃、0℃、25℃和55℃下存放20小時就成了。 然後在這種低溫環境下以0.3℃倍率放電（室溫下，0.3℃放電容量為100%）。 結果如圖 6 所示。
圖 6 顯示，磷酸鐵鋰電池在 -20°C 的室溫下只能釋放約 55% 的容量，因此可能會對電動汽車在運行過程中產生不利影響。 但是，隨著溫度的降低，單體電池的放電容量下降更多。 電動汽車通常組合了數百個電池，電池在運行時會釋放一些熱量，電池的溫度需要升高。
因此，在實際應用中的電池組中，低溫放電問題並不是很嚴重。 測試時，由於單體電池外露比表面積大，溫度與環境溫度相同，因此對放電容量影響較大。 在較高溫度下，LiFePO4 電池受到的影響較小。 例如，電池在 55°C 時的放電容量與 25°C 相比略有增加。
以上研究表明，磷酸鐵鋰電池壽命長、安全性高、能量密度高。 同時，由於房車鋰電池在整個生產過程中不使用鉛、鎘、汞、六價鉻等有毒重金屬，電池封裝材料不含多溴聯苯和多溴聯苯醚，LiFePO4電池也更環保。 因此，磷酸鐵鋰電池將在電動汽車、大規模化學儲能等領域得到更廣泛的應用。