铁锂电池

铁锂电池是锂电池家族中的一类电池,正极材料主要为磷酸铁锂材料.又简称为锂铁电池。

1990年，索尼公司率先在实验室推出了以LiCoO2为正极材料的锂离子电池，并于1991年开始产业化生产。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度、循环寿命等方面都具有显著优势。所以， 在过去的二十年间锂离子电池被广泛应用于便携电子设备、电动工具等领域。而近几年，随着全球对节能减排的关注，锂离子电池也逐渐被应用于通信、国家电网以及电动汽车等多种行业。对于通信电源行业节能减排来说，要求蓄电池体积更小、重量更轻、寿命更长、更耐高温、维护更容易、性能更稳定、更环保等，因此为了顺应这些需求，锂离子电池也正逐渐向大容量电池方向转变，通信用磷酸铁锂电池应运而生。abc铁锂电池是锂电池家族中的一类电池,正极材料主要为磷酸铁锂材料.又简称为锂铁电池。

铁锂电池，并非像网上有些朋友说的那样安全。一样会发生爆炸的危险。技术就要求实话实说，要有严谨性。

磷酸铁锂电池26650-3AH进行3C10V过充,结果电池发生爆炸。重复测试,.结果相近。

（注：该实验是对某未成形产品的实验，并且，述说人不能提供照片）

铁锂电池 锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。 所以，大家使用时，一定要注意安全。

但是在正常的使用过程中，一般会使用电池管理系统对动力锂电池进行保护，所以几乎没有爆炸现象。但是对于手机电池，由于保护措施不到位，反而更容易发生爆炸。

铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，由于其性能特别适合于动力方面的应用，因而也有人叫它“锂铁动力电池”。（以下简称“锂铁电池”）

铁锂电池的工作原理（LiFePO4）

LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由 金属外壳密闭封装。

LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

LiFePO4电池主要性能 ^[1]

LiFePO4电池的标称电压是3.2 V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。例如同一种型号（同一种封装的标准电池），其电池的容量有较大差别（10%～20%）。

磷酸铁锂电池其实就是以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池；而对于锂离子电池来说，正极材料分好多种，如：钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，其间磷酸铁锂是当今锂电工业中最常用的一种材料。

磷酸铁锂电池由铝箔与电池正极联接，左面是聚合物的隔阂它把正极与负极离隔，但锂离子Li 可以始末而电子e-不能始末，右边是由碳组成的电池负极，由铜箔与电池的负极联接，电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装，LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li 始末聚合物隔阂向负极搬迁;在放电进程中，负极中的锂离子Li 始末隔阂向正极搬迁，锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回搬迁而命名的。

锂离子电池作业原理，电池充电时，Li 从磷酸铁锂晶体的010面搬迁到晶体外表，在电场力的效果下，进入电解液，穿过隔阂，再经电解液搬迁到石墨晶体的外表，然后嵌入石墨晶格中，锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁；电池放电时，Li 从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔阂，再经电解液搬迁到磷酸铁锂晶体的外表，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内，再经导电体流到磷酸铁锂正极而开始放电。

对准磷酸铁锂电池正负极的导电而言，必须在电池的正负极中参加导电剂，使之在电池的活性资猜中构成，在理论描绘进程中和理论出产进程中，如何结束上述三个等式，还需要描绘一系列的试验来进行验证，建立数学模型或履历公式，然后对锂离子电池进行描绘。

当时，国内的锂离子电池技术发展迅速，以达到世界领先级水平，当时业界仍是注重于以磷酸铁锂材料为正极的锂离子电池；也有不少国家研发了新的锂离子电池材料，但当时并没有规模化出产。有学者指出，至少在10年内磷酸铁锂作为正极材料仍然是主趋势。

1、效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；

2、温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃。

3、电池的安全性，有一定的改善，但不彻底，还有危险性。

4、好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；

5、放电到零伏也无损坏；

6、快速充电；

7、成本；

8、环境无污染。

磷酸铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有以下优点：

（1） 能量密度高：标称电压为3.2V，能量密度是铅酸电池的4倍左右，体积小、重量轻；

（2）安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，电池不燃烧、不爆炸、安全性好；

（3）高温性能好：外部温度55℃时电池正常工作；

（4）高功率输出：标准放电为0.2C、可3C充放；

（5）长循环寿命：常温1C充放电，单体经2000次循环后容量仍大于80%；

（6）环保：整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。

通信用磷酸铁锂电池应用相比传统的铅酸蓄电池更能体现 “节能”、“节材”、“节地”等节能减排工作的需求。

磷酸铁锂动力电池（以下简称锂铁电池）作为铁电池的一种，一直受到业界朋友的广泛关注（也有人说锂铁电池其实就是锂离子电池的一种）。就铁电池而言，它可以分为高铁电池和铁锂电池，今天我们以型号为STL18650的铁锂电池为例，来具体说明一下铁锂的电池的放电特性及寿命。

STL18650的锂铁电池（容量为1100mAh）在不同的放电率时其放电特性如图2所示。最小的放电率为0.5C，最大的放电率为10C，五种不同的放电率形成一组放电曲线。由图1中可看出，不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳，基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲（放电量达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。

图1 STL18650的放电特性

容量为1000mAh的STL18650在不同的温度条件下（从-20～+40℃）的放电曲线如图2所示。如果在23℃时放电容量为100%，则在0℃时的放电容量降为78%，而在-20℃时降到65%，在+40℃放电时其放电容量略大于100%。

从图3中可看出，STL18650锂铁电池可以在-20℃下工作，但输出能量要降低35%左右。

图2 STL18650在多温度条件下的放电曲线

STL18650的充放电循环寿命曲线如图4所示。其充放电循环的条件是：以1C充电率充电，以2C放电率放电，历经570次充放电循环。从图3的特性曲线可看出，在经过570次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很高的寿命。

图3 STL18650的充放电循环寿命曲线

过放电到零电压试验

采用STL18650（1100mAh）的锂铁动力电池做过放电到零电压试验。试验条件：用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充满，然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组：一组存放7天，另一组存放30天；存放到期后再用0.5C充电率充满，然后用1.0C放电。最后比较两种零电压存放期不同的差别。

试验的结果是，零电压存放7天后电池无泄漏，性能良好，容量为100%；存放30天后，无泄漏、性能良好，容量为98%；存放30天后的电池再做3次充放电循环，容量又恢复到100%。

这试验说明该电池即使出现过放电（甚至到0V），并存放一定时间，电池也不泄漏、损坏。这是其他种类锂离子电池不具有的特性。

溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF?)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

(导电涂层)

涂碳铝箔在锂离子电池应用中的优势

1.抑制电池极化，减少热效应，提高倍率性能；

2.降低电池内阻，并明显降低了循环过程的动态内阻增幅；

3.提高一致性，增加电池的循环寿命；

4.提高活性物质与集流体的粘附力，降低极片制造成本；

5.保护集流体不被电解液腐蚀；

6.改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。

^[2]利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是一项突破性的技术创新，覆碳铝箔/铜箔就是将分散好的纳米导电石墨和碳包覆粒，均匀、细腻地涂覆在铝箔/铜箔上。它能提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料和集流之间的接触电阻，并能提高两者之间的附着能力，可减少粘结剂的使用量，进而使电池的整体性能产生显著的提升。 涂层分水性（水剂体系）和油性（有机溶剂体系）两种类型。

铁锂电池应用中：涂碳铝箔/铜箔的性能优势

1.显著提高电池组使用一致性，大幅降低电池组成本。如：

· 明显降低电芯动态内阻增幅 ;

· 提高电池组的压差一致性 ;

· 延长电池组寿命 ;

· 大幅降低电池组成本。

2.提高活性材料和集流体的粘接附着力，降低极片制造成本。如：

· 改善使用水性体系的正极材料和集电极的附着力；

· 改善纳米级或亚微米级的正极材料和集电极的附着力；

· 改善钛酸锂或其他高容量负极材料和集电极的附着力；

· 提高极片制成合格率,降低极片制造成本。

涂碳铝箔与光箔的电池极片粘附力测试图

使用涂碳铝箔后极片粘附力由原来10gf提高到60gf（用3M胶带或百格刀法），粘附力显著提高。

3.减小极化，提高倍率和克容量，提升电池性能。如：

· 部分降低活性材料中粘接剂的比例，提高克容量；

· 改善活性物质和集流体之间的电接触；

· 减少极化，提高功率性能。

不同铝箔的电池倍率性能图

其中C-AL为涂碳铝箔，E-AL为蚀刻铝箔，U-AL为光铝箔

4.保护集流体，延长电池使用寿命。如：

· 防止集流极腐蚀、氧化；

· 提高集流极表面张力，增强集流极的易涂覆性能；

· 可替代成本较高的蚀刻箔或用更薄的箔材替代原有的标准箔材。

不同铝箔的电池循环曲线图（200周）

其中（1）为光铝箔，（2）为蚀刻铝箔，（3）为涂碳铝

铁锂电池作为一种新兴的电池技术，在业界引起了很大反响，而且由于锂铁电池有着众多优点，并且可以生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛地应用。下面我们列举了一些它的主要应用领域，并通过一个典型实例说明它的优越性：

1 大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；

2 轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；

3 电动工具：电钻、电锯、割草机等；

4 遥控汽车、船、飞机等玩具；

5 太阳能及风力发电的储能设备；

6 UPS及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好)；

7 替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；

8 小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

这里举一个用铁锂动力电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10Ah(360Wh)的铅酸电池，其重量12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用锂铁动力电池，采用同样的360Wh能量（12个10Ah电池串联组成），其重量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达3～5年。虽然说锂铁动力电池的价格较铅酸电池高得多，但总的经济效果还是采用锂铁动力电池更好，并且在使用上更轻便。

铁锂电池是一种新型动力电池，由于其性能优良，受到各方面的重视。我国现在已有一些工厂生产锂铁电池正极材料及生产各种不同容量的铁锂l动力电池。不过，这种情况可望在2～3年内得到改变，锂铁动力电池将更便宜，并且其应用将更普遍，将是未来动力电池市场的主流。

（1） 室外一体化铁电池电源解决方案

室外通信基站太阳直射，内置的铅酸蓄电池寿命通常不超过2年，本方案采用磷酸铁锂电池，耐高温性能优异，寿命达到5-10年。

此方案中电池的体积小，重量轻，耐高温、长使用寿命等优势在“节能”“节材”“节地”三个方面实现节能减排的目的，同时有效降低维护运营成本。

（2） 村通等无空调的基站电源解决方案

村通工程的基站都设在偏远的农村，规模小、配置小，基本上都没有空调，而且停电频繁，铅酸电池在恶劣环境下工作的寿命短、更换频繁、偏远农村的维护成本高。改用铁电池，则高温性能好、可深度充放电，循环寿命长，体积小、重量轻，安装轻便，可以在“节能”“节地”“节材”三方面达到节能减排的目的，同时还能改善网络供电质量。

（3） 空间紧张的室内宏基站电源解决方案

室内宏基站数量多，覆盖广，要求供电可靠，所以一般都有两组电池备电。站内铅酸电池占地面积大、重量过重，当话务量增多而引起扩容需求时站内空间制约了新增设备的可能。

如果采用一体化开关电源配合铁电池，则可降低机房中电源及电池的占地面积，满足设备扩容的需求。同时铁电池耐高温性能优异，可以将站内空调启动温度提高到35度左右，能够降低空调的能耗，通过节省电费有效降低运营成本，在“节能”“节地”“节材”三方面达到节能减排的目的。

（4） 室内覆盖/分布式站电源解决方案

原有2G网络的室内覆盖，加之3G及WLAN热点的不断新建，室内覆盖站的数量将进一步增多。由于室内覆盖站点取电一般就近选择市电，选择48V通信电池模块或铁电池UPS进行备电则可有效解决该类问题。

（5） 通信用高压直流电源系统（HVDC）供电方案

针对数据中心的供电方案，行业专家提出了通信用240V/336V高压直流电源系统。该系统对蓄电池的要求的特点是高电压（240V/336V）、短时间、大电流放电。如采用机架式磷酸铁锂电池组则有以下优势：

(a) 重量轻，节省机房加固成本；

(b) 体积小，可以与HVDC系统以列头柜形式并列安放，不用单独建立电池房，也可节省供电系统的占地面积，提高通信设备机架装机率；

(c) 铁电池可高倍率放电，降低蓄电池配置的容量；

(d) 铁电池放电平台稳定,在电池供电模式下稳定的输入电压避免设备因输入电压的大范围波动而引起异常。

（6） 嵌入式UPS交流电源系统供电方案

对于中小型数据中心，欧美的发达国家还有一种嵌入式UPS分布式供电方案，即用小功率UPS与网络柜配合以机柜为单位为服务器供电。选择铁电池UPS有以下优势：

（a） 重量轻，节省机房加固成本；

（b） 体积小，3KVA铁电池机UPS仅占网络柜2U空间，提高服务器装机率；

（c） 电池长寿命，主机与电池寿命几乎相同，降低电池更换成本；

（d） 安全性好，铁电池不起火、不爆炸，满足IDC机房高安全性的要求

一般使用恒压恒流充电法，当3.2V标称的锂铁电池的电压达到3.6V时应马上停止充电或者使用维持很小的充电电流。当锂电池的电压很低，如2V以下时，使用涓流充电可延长电池寿命。