磷酸铁锂电池及充电器
随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步,人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。继镍镉、镍氢可充电电池之后,在1991年开发出可充电的锂离子电池,1995年又推出性能更好的聚合物锂电池,到2002年后,新型磷酸铁锂电池又问世。
目前市场上的锂离子电池的正极材料主要是氧化钴锂(LiCoO2),另外还有少数采用氧化锰锂(LiMn2O4)及氧化镍锂(LiNiO2)作正极材料。新型磷酸铁锂电池是一种用磷酸铁锂(LiFePO4)作电池正极,用石墨作负极的锂离子电池。它的工作原理与锂离子电池完全相同,是锂离子电池家族中的新成员。
磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池,这名字太长,简称磷酸铁锂电池。由于该电池非常适用于作动力电池,所以往往称它为磷酸铁锂动力电池。本文简写成LiFePO4电池。
在上述几种锂离子电池正极材料中,以金属元素钴(Co)最贵,并且世界上储藏量不多、其次是镍(Ni)、锰(Mn)较便宜、而铁(Fe)最便宜。正极材料的价格也与这些金属材料的价格行情一致。因此,LiFePO4电池应是最便宜的。另外它具有放电平台特别平坦、能用大放电率放电(5~10C)、特别安全(不会因过充电、过放电、甚至短路时发生燃烧或爆炸)、循环寿命长、对环境无污染等特点,作为大电流输出的动力电池,它的性能是最佳的。
目前国内已有一些工厂能生产LiFePO4正极材料,有一些工厂已小批量生产各种不同容量的LiFePO4电池(容量从几百mAh到几百Ah)。由于生产时间不长、产量不大,还是初创阶段,因此目前在价格上比同样容量的锂离子电池还贵,但是还供不应求,经常发生缺货。这种现象将在1~2年内得到改进。到那时LiFePO4电池的价格更齐全、质量进一步提高,价格也更便宜,应用将更广泛。
1. LiFePO4电池主要特点
(1)强劲的动力特性
一般锂离子电池的工作放电率为1~1.5C,动力锂电池为2~5C,而LiFePO4电池可在2~10C放电率范围长期工作,甚至于在10秒短时间内可达20C的放电率。采用LiFePO4电池作为动力的汽车有极好的加速性能、用作电动工具手电钻电源时则有高的钻孔速度,并能对硬度较大的材料进行钻孔。
(2)极为平坦的放电平台
放电特性曲线极为平坦,在放电容量80%以内几乎是平直线,大部分电压在3.2V~2.9V之间。电压变化在10%之内,放电电压是很稳定的。
LiFePO4电池的放电特性是极好的;
(3)循环寿命长
如果采用1C充电率充电、2C放电率放电对锂离子动力电池及LiFePO4电池作循环寿命试验,其结果是:锂离子动力电池做了300个循环后,其放电容量已降到85%;而LiFePO4电池做了500个循环后,其放电容量还大于95%。
如果采用1C充电率充电、5C放电率放电对上述两种电池作循环寿命试验,其结果是:锂离子动力电池做了300个循环,其放电容量已降到60%;而LiFePO4电池做了300个循环放电容量还大于80%。
从上述比较可知:LiFePO4电池在高放电率时也有较长的循环寿命,在一般1C放电率使用时其循环寿命可达1000次以上。
(4)高安全特性
大功率动力电池不能使用PTC及CID一类的保险丝作过流保护,因此安全要靠内部化学成分,即使电池在短路故障发生时也不会产生燃烧及爆炸。同样,电池受外力损伤(甚至用针刺,将电池刺破)也不会燃烧及爆炸。另外,在使用过程中有过充电、过放电时,这对电池会有些损伤,但不漏液、不燃烧、不爆炸。即使充满电的电池,将它放到130℃的热箱中,电池内部温度也达到130℃时也不燃烧、不爆炸。
由于它安全性极好,适合用于易燃、易爆、工作温度较高的场合。例如用LiFePO4电池作矿灯电源是最安全的。
(5)能在低电压带负载放电到0V
有一些性能好的LiFePO4电池,在放电到终止放电压2.0V后还继续放电到电池电压为0V时,对电池性能影响不大。其试验如下:电池以0.5C充满后以1C放电到0V;在电池正负极加一个1W电阻连接起来;将电池分成两组分别放置7天及30天;到期后再按0.5C充满,按1C放电,其两组电池的试验结果是:放置7天的一组,无泄漏、性能良好、放电容量为100%;放置30天的一组,无泄漏,放电容量为98%,经过3次充放电循环,恢复到100%。
(6)对环境无污染
LiFePO4电池对环境无毒,其毒性明显低于LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4为正极材料的锂离子电池。
(7) 价格低
由于LiFePO4有上述特点,因此它发展势头很猛,将在很多领域中逐步取代以氧化钴锂为正极材料的锂离子电池。
2. LiFePO4电池充电器
LiFePO4电池的主要参数是标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6±0.05V、终止放电电压是2.0V。由于它的终止充电电压与锂离子电池的终止充电电压(4.2V)不同,所以需要LiFePO4电池专用充电器。