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lifepo4電池工作原理

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年08月24日  

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。


鋰離子電池內部主要由正極、負極、電解質及隔膜組成。正、負極及電解質材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能,并且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰(LiCoO2),另外還有少數采用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池,一般將后兩種正極材料的鋰離子電池稱為”鋰錳電池”及”鋰鎳電池”。新開發的磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰(LiFepO4)材料作電池正極的鋰離子電池,它是鋰離子電池家族的新成員。


LiFepO4是一種鋰離子電池正極材料。LiFepO4在自然界是以磷鐵鋰礦形式存在的,其結構穩定、資源豐富、安全性能好、無毒。與傳統的鋰離子電池正極材料LiMn2O4和LiCoO2相比,LiFepO4原料來源更廣泛、價格更低廉且無環境污染。環境友好、熱穩定性好、是下一代鋰離子蓄電池正極最有競爭力的材料之一。LiFepO4材料雖然具有許多優良的電化學性能,但是還存在擴散系數小等方面的問題。因而國內外學者在提高LiFepO4的導電能力方面競相展開了研究。


一般鋰離子電池的電解質是液體的,后來開發出固態及凝膠型聚合物電解質,則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池,其性能優于液體電解質的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池的全名應是磷酸鐵鋰鋰離子電池,這名字太長,簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應用,則在名稱中加入”動力”兩字,即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為”鋰鐵(LiFe)動力電池”。


LiFepO4電池中某電極的工作原理如圖:


(1)放電時,該裝置是原電池,Fe元素化合價由+3價變為+2價,得電子發生還原反應,所以該電極是正極,電極反應式為FepO4+e-+Li+=LiFepO4,


(2)電解含有0.01molCuSO4和0.01molNaCl的混合溶液100mL,電路中轉移了0.02mole-,


陽極:2Cl--2e-=Cl2↑,


0.01mol0.01mol0.005mol


4OH--4e-=2H2O+O2↑,


0.01mol0.01mol0.0025mol


陰極:Cu2++2e-=Cu


0.01mol0.02mol


所以陽極上生成的氣體在標準狀況下的體積=(0.005mol+0.0025mol)&TImes;22.4L/mol=0.168L;


(3)鐵做陽極,碳做陰極電解飽和食鹽水,陽極Fe失電子生成亞鐵離子,則陽極的電極方程式為Fe-2e-=Fe2+,陰極氫離子得電子生成氫氣,則陰極的電極方程式為:2H++2e-=H2↑;溶液中生成Fe2+、H2、和OH-,則電解的總方程式為:Fe+2H2O通電/.Fe(OH)2↓+H2↑;


FepO4電池的內部結構如圖下圖所示


LiFepO4電池的結構與工作原理


LiFepO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的LiFepO4作為電池的正極,由鋁箔與電池正極連接,中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(石墨)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。


磷酸鐵鋰電池工作原理


上邊是橄欖石(olivine)結構的LiFepO4作為電池的正極,由鋁箔(aluminiumfoil)與電池正極連接,左邊是聚合物(polymer)的隔膜(diaphragm),它把正極與負極隔開,但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(carbon)(石墨graphite)組成的電池負極,由銅箔(copperfoil)與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(electrolyte),電池由金屬外殼密閉封裝。


LiFepO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子Li通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。


1、電池充電時,Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面,在電場力的作用下,進入電解液,穿過隔膜,再經電解液遷移到石墨晶體的表面,然后嵌入石墨晶格中。與此同時,電子經導電體流向正極的鋁箔集電極,經極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體,再經導電體流到石墨負極,使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后,磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵,其晶格結構變化如上圖-2。


2、電池放電時,Li從石墨晶體中脫嵌出來,進入電解液,穿過隔膜,再經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新經010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時,電池經導電體流向負極的銅箔集電極,經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體,再經導電體流到磷酸鐵鋰正極,使正極的電荷達至平衡。


從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知,磷酸鐵鋰電池的充放電過程需要鋰離子和電子的共同參與,而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達至平衡。這就要求鋰離子電池的正負電極必須是離子和電子的混合導體,而且其離子導電能力和電子導電能力必須一致。但是眾所周知,磷酸鐵鋰的導電性能很差。而石墨負極的導電性雖然要好一些,但是要實現大倍率放電時,仍然需要改善負極的導電性,使其的電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達至平衡。


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