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。

锂铁电池是一种一次干电池，属于锂电池的一种。它的分子式是LiFeS2，不同于人们通常所说的铁锂电池LiFePO4。铁锂电池的全称是磷酸铁锂电池，属于二次锂离子电池^[1]

锂铁电池的正极是二硫化亚铁，负极是金属锂，使用卷绕方式制成电池，放电时，二硫化亚铁被还原，金属锂被氧化。其能量密度约297Wh/kg，标称电压是1.5V，新电池开路电压近1.8V，接负载时端电压1.5V左右，实际工作时放电电压可与碱性电池兼容。5号锂铁电池重量约15克，轻于镍氢和碱性锂锰电池。

电池一般包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、材料、安全阀、圈密封圈、TC（（（（正温度控制端子正温度控制端子正温度控制端子正温度控制端子）电池壳电池壳电池壳电池壳等。其中正极材料、负极材料、电解质以及隔膜的不同或者工艺不同或者工艺不同或者工艺不同或者工艺的不同，对电池的性能和价格有着决定性的影响。 通常所称的锂电池，是以各种含锂材料为正极材料的电池，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4），另外还有少数采用镍酸锂（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）材料作电池正极的锂离子电池， 其内部结构如图一所示：左边是橄榄石结构的橄榄石结构的橄榄石结构的橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极作为电池的正极作为电池的正极作为电池的正极，，，，由铝箔与电池正极连接由铝箔与电池正极连接由铝箔与电池正极连接由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜聚合物的隔膜聚合物的隔膜聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子锂离子锂离子锂离子Li+可以通过而电子可以通过而电子可以通过而电子可以通过而电子e-不能通过不能通过不能通过不能通过，右边是由碳由碳由碳由碳（（（（石墨石墨石墨石墨））））组成的电池负极组成的电池负极组成的电池负极组成的电池负极，，，，由铜箔与电池的负极连接由铜箔与电池的负极连接由铜箔与电池的负极连接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，电池由金属外壳金属外壳金属外壳金属外壳、、、、铝塑复铝塑复铝塑复铝塑复合膜或塑料壳合膜或塑料壳合膜或塑料壳合膜或塑料壳密闭封装

LiFePO4电池的工作原理是：电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。（注：锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称“摇椅电池”。

1、能够兼容1.5V碱性电池、碳性电池

2、适用于大电流放电，以劲量L91为例，拥有2A持续放电、3A脉冲放电的能力

3、电量充足，其实际放电容量超过市面上所有的民用一次或二次电池。以耐时电池为例，在较低截止电压，中大程度电流放电时，放电电量为碱性电池的3倍以上。而当放电电流更大，截至电压更高时，优势会更明显

4、温度范围比其他一次电池宽广得多，低温性能优异。以劲量L91为例，其工作温度是零下40度至零上60度。

5、柱式或者纽扣电池重量只有同型号碳性电池的70%，碱性电池的 50%

6、防漏性能明显更好，贮存性能优异，可贮存10年

7、没有使用有害材料，不污染环境

     1、导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。

     2、振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点，这决定了它在小型电池如手机电池等没有优势，所以其使用范围受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。

     3、一致性问题严重。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但是制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池组的使用性能和整体寿命，因此应用在动力汽车上存在一定障碍。

     4、磷酸铁锂电池低温性能差。磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯，其0℃时的容量保持率约 60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时为20～40%。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。

     5、制造成本高。磷酸铁锂具有安全性、环保性、循环次数高等优点是毋庸置疑的，但目前的制造成本相对铅酸电池、锰酸锂电池要高，其主要原因是：

1）材料物理性能和其他锂电材料相差较大，其粒度小，振实密度小，比表面积大，材料的加工性能不好，涂敷量低，导致电池成本增加；

2）磷酸铁锂电池只有 3.2V，比其他的锂电低20%左右，单体电池要多用20%，导致电池组成本上升较多。     随着技术的发展，磷酸铁锂材料上的这些缺点正在逐步得到解决，其性价比也逐步得到提高，应用范围也逐渐扩大，我们相信，磷酸铁锂电池技术已经进入一个飞速发展阶段，正在带动整个产业从市场的培育导入期进入一个高速增长阶段。

对比

锂铁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。

^[2]导电涂层吐痰铝箔

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。

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。

好电科技.涂碳铝箔

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。

好电科技.涂碳铝箔

                                                                                           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。

好电科技.涂碳铝箔

                                                                                                           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。

好电科技.涂碳铝箔

电池级铝箔

在充分考虑铝箔的导热、导电和机械强度的基础上，采用专用胚料，在洁净除尘厂房环境，通过带有在线板型仪和西门子控制系统的高精度进口轧机制造。

产品特点:

1、 铝箔轧机设备配有先进的AGC（西门子厚度自动控制系统）和AFC（西门子板形自动控制系统）系统，实现对板型和厚度的精确控制；

2、 精选铝箔坯料，严格控制坯料的氢含量，非金属夹渣量和晶粒度，从原料确保产品品质；

3、 采用先进的在线除油技术，在保证铝箔机械强度的基础上，保证铝箔的清洁度。

锂铁电池与传统的铅酸蓄电池^[3]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。

（1）体积小、重量轻

对于民用住宅内的站点，可节省承重加固的费用，进一步加速站点的建设， “节材”优势更加明显。

（2）高温性能优异

优异的耐高温性能可成倍增加户外站电池的寿命，降低维护及更换电池费用，提供系统可靠性；此外在有空调的基站中，可以尝试将空调设置为35度时启动，能有效降低基站平均电耗，“节能”优势更加明显。

（3）高功率放电 [2]

铁电池在3C以上放电依然能放出全部容量的90%以上，高功率、深度放电的优势能有效降低目前UPS备用电池的总容量、容量降低的时对机房空间及承重要求过大等问题也伴随得到解决， “节地”优势更加明显。

（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

目前生产锂铁电池的厂家有：劲量、耐时、南孚、双鹿和海特。基于多种优点，锂铁电池常常被人们称为继碳性电池、碱性电池后的第三代一次电池，但实际上目前并没有出现明显的取代碱性电池的趋势，相关人士认为这是其成本和售价制约了发展的缘故。

对于造成国内锂铁电池价格居高不下的原因，生产厂家做过专门分析，大致归纳为以下几个方面： ^[4]

1、高价原材料及其带来的特殊生产环境及安全要求：造成锂铁电池高价结果的首要原因是用金属锂带作负极，比碱性电池的锌膏高出许多；金属锂是活跃元素，因此对生产环境中的温度和湿度都有更高的要求，不但要加装干燥机和空调设备，还要对岗位上的工作人员提高工资。锂铁电池活跃的负极金属锂，加上电解液易挥发，正极与隔膜均为可燃物，这些都需要添加相应的设备加以控制，而这些设备是碳性电池和碱性电池生产中没有的。

2、对外依赖性强：设备必须进口，由于设备制造商较少，外国设备商可以漫天要价，而且设备遇到故障还得求助于他们，在维修过程中，需要高价进口设备零件及支付高昂维修费。同时，电解液实际上依赖进口，其成分、配方是生产厂家的商业秘密。

3、生产中的损耗，特别是废品率高：由于锂铁电池的精度要求高，因此，对原料选择及人工操作要求较严。材料上的以次充好及采用不合格原料，或者人为误操作都会使废品率出现或提高。

正是上述内外原因导致了锂铁电池价格难以降低。另一方面，自2006年以来，国家对碳性电池和碱性电池规定了环保标准，现有的碱性电池均实现无汞化，这使得锂铁电池取代碱性电池失去了环保优势。

国外做得较早的为是美国Valence（威能）公司和A123（高博）公司，这两家公司都在国内（江苏）有材料生产企业生产磷酸铁锂正极材料，然后采用委托其它电池公司代工生产电池出口。  国内目前已经有很多公司在作测试，研究，小批量试产材料，北大先行，中辉振宇，山西力之源等比较活跃，湖南瑞祥与杉杉公司也在跟进。批量生产电池的企业尚不多，山东海霸能源集团公司宣传较多，有产品上市。

在后工业时代，汽车普及的速度大大超过了我们的想象，在带来高效方便的同时，大量尾气的排放，也给环境增添了很大压力，而随着石油价格飞涨、二氧化碳排放带来温室效应等问题的凸显，更是迫切需要寻找替代传统能源的新型能源。液态氢、燃料电池等都是好的选择，但是存在价格高、技术不成熟等问题，普通铅酸电池使用成本相对较低，但重量重，能量密度低，使用寿命短，还存在潜在的重金属污染等问题。成都投入了“零排放”的全电动公交车，受到广泛关注，这种全电动公交车采用了新型的磷酸铁锂电池作为其动力核心，这种新一代电动车绿色环保动力具有很多特点和优势。  安全性相当高  要作为汽车动力，安全性是压倒一切的首要考虑因素。普通锂电池的安全性尽管能得到基本保证，但是在极端条件下存在起火、爆炸的可能性。磷酸铁锂电池作为锂电池的二代产品，本身物理性能稳定，再配合电池组内置的过压、欠压、过流、过充等保护功能，不爆炸不起火，是目前全球唯一绝对安全的锂离子电池。  由于采用高热稳定性材料和缜密工艺设计，电池安全和可靠性大为增强。与锂电池不当使用中可能出现的爆炸现象相比，磷酸铁锂电池即使扔在火中也不会发生爆炸。高温稳定性可达400—500°C, 保证了电池内在的高安全性；不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆

炸或燃烧。经过严格的安全测试，即使在最恶劣的交通事故中也不会发生爆炸。  寿命长成本低  作为动力电池，使用寿命（循环性能）与总体使用成本密切相关， 和普通锂电池500次左右的循环使用寿命相比，磷酸铁锂电池在室温下可充放电循环1500 次，容量保持率 95 ％以上，而50%容量的循环寿命更是达到了2000次以上，电池的持续里程寿命大于50万公里，可以使用五年左右，是铅酸电池的8倍，镍氢电池的3倍，是钴酸锂电池的4倍左右。再加上其生产制造成本本身就低于普通锂电池，无疑能大大降低电动车的使用和维护成本。  同时磷酸铁锂电池放电性能也十分优异，功率曲线平稳，抗过放能力强，普通锂电电芯在低于3.2V后，再放电就是过放，可能会导致报废。但是磷酸铁锂电池在2.8V的时候还有能量释放，低于2.5V都不存在报废的问题。

使用处理方便   我们知道，镍氢、镍镉电池存在较强的记忆效应，普通锂电池也有一定的记忆效应问题，需要尽量“满充满放”，会给电动车日常使用带来不便，而磷酸铁锂电池无此现象，自放电小；无记忆效应，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电，同时该电池快速充电特性优异，用专用充电器快充，半小时能充足95%左右。电池寿命终结后的处理问题，也值得我们关注，磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒，无污染，符合规定，为绝对的绿色环保电池，铅酸电池中存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，将对环境构成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中，均无污染。  总体而言，磷酸铁锂作为锂电池的新一代材料，正以其安全性绝对可靠、循环寿命超长、充放电平台稳定等优点受到全球动力电池专家的大力推崇，无愧为新一代电动车绿色动力的核心产品，随着其在电动公交车上实际应用的成功展示，也将逐步替代铅酸电池，在目前成都市民使用的电动自行车中得到广泛应用。