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LiFePO4电池用作特种电源的优势分析

钜大LARGE  |  点击量:1421次  |  2019年08月24日  

LiFepO4是近几年被广泛报道的一种锂离子电池正极材料。。由于其结构稳定、资源丰富、安全性能好、无毒、对环境友好,且理论容量高达170mAh/g,较长的循环次数。


自1996年日本的NTT首次揭露AyMpO4(A为碱金属,M为CoFe两者之组合:LiFeCopO4)的橄榄石结构的锂电池正极材料之后,1997年美国德克萨斯州立大学John.B.Goodenough等研究群,也接着报道了LiFepO4的可逆性地迁入脱出锂的特性,美国与日本不约而同地发表橄榄石结构(LiMpO4),使得该材料受到了极大的重视,并引起广泛的研究和迅速的发展。与传统的锂离子二次电池正极材料,尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相比,LiMpO4的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。


LiFepO4在自然界是以磷铁锂矿形式存在的,具有有序规整的橄榄石型结构,属于正交晶系,空间群为pmnb,是一种稍微扭曲的六方最密堆积结构。晶体由FeO6八面体和pO4四面体构成空间骨架,p占据四面体位置,而Fe和Li则填充在八面体的空隙中,其中Fe占据共角的八面体位置,Li则占据共边的八面体位置。晶格中FeO6通过bc面的公共角连接起来,LiO6则形成沿b轴方向的共边长链。一个FeO6八面体与两个LiO6八面体和一个pO4四面体共边,而pO4四面体则与一个FeO6八面体和两个LiO6八面体共边。Li+具有一维可移动性。充放电过程中可以可逆的脱出和嵌入。材料中由于基团对整个框架的稳定作用,使得具有良好的热稳定性和循环性能。


国外早已将锂离子电池用于特种、水中特种等领域,但该类电池本身的安全性制约了其在特种方面的广泛应用。磷酸亚铁锂电池与传统的锂离子电池相比,具有较高的热稳定性和较高的安全性,理论分析和试验结果表明,应作为可充式特种电源首要选择。


特种电源对安全性、方便性、能量密度、环境适应性以及耐滥用性具有较高的要求。锂离子电池以其具有较高的能量密度、免维护、使用寿命长等优点一直受到各界的青睐,但其自身安全性一直令人担忧。LiFepO4锂离子电池的应用为满足特种电源找到了希望。


LiFepo4锂离子电池工作原理

LiFepO锂离子电池主要由正极片、隔膜、负极片、电解液、极柱(极耳)和外包装构成。正极的活性物质为磷酸亚铁锂,负极活性物质为碳。充电时,锂离子从磷酸亚铁锂材料中脱出,以电解液为载体,透过隔膜到达负极,嵌入碳材料,电子则从正极通过外电路到达负极,维持化学反应平衡;放电时锂离子和电子的运动方向则相反。


在正极上进行的充放电反应如下:


充电反应:


LiFep04一xLi+-xe。-~xFep04+(1一x)LiFepO4


放电反应:


FepO4+xLi+xe。-~xLiFepO4+(1·x)Fep04


LiFepo4锂离子电池特点及优势

耐高温

锂离子电池在UUV内的空间受到很大限制,因此结构紧凑,不利于散热,这要求电池有很好的耐高温性能。与以LiCoO2、LiMn204和三元材料为正极活性物质的锂离子电池相比,LiFepO4锂离子电池的电化学性能有了显著的改进,这是由其结构决定的。在磷酸亚铁锂中Li具有二维可移动性,在充放电过程中锂离子的脱出和嵌入受到很强的pO共价键形成的离域环境影响,使磷酸亚铁锂具有很强的热力学和动力学稳定性。所以LiFepO4锂离子电池具有良好的高温安全性能,在高倍率充、放电时极柱的温度甚至升高到170~C的情况下,仍能保持安全使用。表1列出了常用正极材料的差热分析(DSC)数据。


从表1可以看出目前所发现的锂离子电池正极材料中,磷酸亚铁锂的安全性最好。


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