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自鋰離子電池問世以來,圍繞它的研究、開發工作一直不斷地進行著,上世紀90年代末又開發出鋰聚合物電池,2002年后則推出磷酸鐵鋰動力電池。 鋰離子動力電池的性能主要取決于正負極材料,磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現的事,國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的,這些也正是動力電池最重要的技術指標。作為新興的動力電池,磷酸鐵鋰動力電池具有下列性能特點。
1、磷酸鐵鋰動力電池的性能
1.1安全性能的改善
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質,因此擁有良好的安全性。有報告指出,實際操作中針刺或短路實驗中發現有小部分樣品出現燃燒現象,但未出現一例爆炸事件,而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電,發現依然有爆炸現象。雖然如此,其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池,已大有改善。
1.2壽命的改善
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。
長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右,最高也就500次,而磷酸鐵鋰動力電池,循環壽命達到2000次以上,標準充電(5小時率)使用,可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”,最多也就1~1.5年時間,而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用,理論壽命將達到7~8年。綜合考慮,性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電,在專用充電器下,1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿,起動電流可達2C,而鉛酸電池無此性能。
1.3高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C),有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
1.4大容量
具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。5AH-1000AH(單體)
1.5無記憶效應
可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作,容量會迅速低于額定容量值,這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性,而磷酸鐵鋰電池無此現象,電池無論處于什么狀態,可隨充隨用,無須先放完再充電。
1.6重量輕
同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3,重量是鉛酸電池的1/3。
1.7環保
該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認證通過),無污染,符合歐洲RoHS規定,為絕對的綠色環保電池證。所以鋰電池之所以被業界看好,主要是環保考量,因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃,成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。隨著中國加入WTO,中國電動自行車的出口量將迅速增大,而進入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。
但有專家表示,鉛酸電池造成的環境污染,主要發生在企業不規范的生產過程和回收處理環節。同理,鋰電池屬于新能源行業不錯,但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學物質,所以有可能會產生兩種污染:一是生產工程中的工藝排泄物污染;二是報廢以后的電池污染。
2、磷酸鐵鋰動力電池在生產中的應用
由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點,并且生產出各種不同容量的電池,很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有:
1)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;
2)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;
3)電動工具:電鉆、電鋸、割草機等;
4)遙控汽車、船、飛機等玩具;
5)太陽能及風力發電的儲能設備;
6)UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);
7)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);
8)小型醫療儀器設備及便攜式儀器等。
3、磷酸鐵鋰動力電池的科研應用
最近,有關新型電池取得進展、有望取代傳統鋰電池,這樣手機、平板將擁有更長續航時間的希望,目前此項技術還停留在實驗室研究階段。2012年8月,新能源公司Deboch TEC.GmbH又帶來了一種更接近現實的新能源技術:含鐵的鋰電池。Deboch TEC.GmbH公布的磷酸鐵鋰電池技術白皮書顯示,在使用復合納米材料后,單節32650規格(直徑32mm/長度65mm)電芯的能量密度能夠提升到6000mAh,與當前業界32650規格單節5000mAh的規格相比,同等體積提升了足足1000mAh,也就是20%之多,1節就能給iPhone 4S手機反復充電差不多4次。
更令人欣喜的是,在單顆低倍率充放電環境下使用,這種電池在循環使用多達3000次后,電量依舊保持在80%左右,這是普通鋰電池循環充電500次左右的效果。按照每3天充放電一次計算,可以連續使用24年之久,是名符其實的長壽電池。
這種新型電池技術可以廣泛應用于便攜移動電源、小型UPS、筆記本電池、汽車電瓶等各種設備,而且針對不同使用環境,Deboch TEC.GmbH還按照循環充電次數的差異使用了不同的電芯顏色:面向軍工級的為金色,循環次數為3000次;民用汽車領域中使用藍色,2500次;綠色的、2000次的適用于小型便攜式移動設備。
結語:磷酸鐵鋰電池也有其缺點:例如低溫性能差,正極材料振實密度小,等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池等,因此在微型電池方面不具有優勢。而用于動力電池時,磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣,需要面對電池一致性問題。科技的探索永無止境,隨著生產實踐的深入,開發力量的投入,還有科技人員的探索,期待更高性能的電池取代磷酸鐵鋰電池。