基本介紹
- 中文名：鐵鋰電池
- 外文名：Li-ionbatteries
- 全稱：磷酸鐵鋰鋰離子電池
- 別稱：鋰鐵電池
- 發明時間：1990年
- 正極材料：LiFePO4
概述,安全問題,工作原理,運作流程,電池特點,優點,電池對比,放電特性,發展前景,套用領域,套用方向,充電技術,
概述
1990年，索尼公司率先在實驗室推出了以LiCoO2為正極材料的鋰離子電池，並於1991年開始產業化生產。與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池在工作電壓、能量密度、循環壽命等方面都具有顯著優勢。所以， 在過去的二十年間鋰離子電池被廣泛套用於便攜電子設備、電動工具等領域。隨著全球對節能減排的關注，鋰離子電池也逐漸被套用於通信、國家電網以及電動汽車等多種行業。對於通信電源行業節能減排來說，要求蓄電池體積更小、重量更輕、壽命更長、更耐高溫、維護更容易、性能更穩定、更環保等，因此為了順應這些需求，鋰離子電池也正逐漸向大容量電池方向轉變，通信用磷酸鐵鋰電池應運而生。abc鐵鋰電池是鋰電池家族中的一類電池,正極材料主要為磷酸鐵鋰材料，又簡稱為鋰鐵電池。
安全問題
鐵鋰電池，並非像網上有些朋友說的那樣安全。一樣會發生爆炸的危險。技術就要求實話實說，要有嚴謹性。
磷酸鐵鋰電池26650-3AH進行3C10V過充,結果電池發生爆炸。重複測試,結果相近。
（注，該實驗是對某未成形產品的實驗，並且，述說人不能提供照片）
當鋰電池大電流充放電時，電池內部持續升溫，活化過程中所產生的氣體膨脹，電池內壓加大，壓力達到一定程度，如外殼有傷痕，即會破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。 所以，大家使用時，一定要注意安全。
但是在正常的使用過程中，一般會使用電池管理系統對動力鋰電池進行保護，所以幾乎沒有爆炸現象。但是對於手機電池，由於保護措施不到位，反而更容易發生爆炸。
工作原理
鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由於其性能特別適合於動力方面的套用，因而也有人叫它“鋰鐵動力電池”。（以下簡稱“鋰鐵電池”）
鐵鋰電池的工作原理（LiFePO4）
LiFePO4電池的內部結構：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線，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線。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。
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。
LiFePO4電池主要性能
LiFePO4電池的標稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於各個生產廠家採用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝的標準電池），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。
運作流程
磷酸鐵鋰電池其實就是以磷酸鐵鋰為正極資料的鋰離子電池，而關於鋰離子電池來說，正極資料分好多種如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元資料、磷酸鐵鋰等，其間磷酸鐵鋰是當今鋰電工業中最常用的一種資料。
磷酸鐵鋰電池由鋁箔與電池正極聯接，左面是聚合物的隔閡它把正極與負極離隔，但鋰離子Li 可以始末而電子e-不能始末，右邊是由碳組成的電池負極，由銅箔與電池的負極聯接，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，LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li 始末聚合物隔閡向負極搬遷;在放電進程中，負極中的鋰離子Li 始末隔閡向正極搬遷，鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回搬遷而命名的。
鋰離子電池作業原理，電池充電時，Li 從磷酸鐵鋰晶體的010面搬遷到晶體外表，在電場力的效果下，進入電解液，穿過隔閡，再經電解液搬遷到石墨晶體的外表，然後嵌入石墨晶格中，鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌後，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵；電池放電時，Li 從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，穿過隔閡，再經電解液搬遷到磷酸鐵鋰晶體的外表，然後重新經010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內，再經導電體流到磷酸鐵鋰正極而開始放電。
對準磷酸鐵鋰電池正負極的導電而言，必須在電池的正負極中參加導電劑，使之在電池的活性資猜中構成，在理論描繪進程中和理論出產進程中，如何結束上述三個等式，還需要描繪一系列的試驗來進行驗證，樹立數學模型或許樹立履歷公式，然後始末這些模型或許公式來進行鋰離子電池的描繪。
當時，國內的鋰離子電池技能老到，以具有世界領先級水平，當時業界仍是注重於以磷酸鐵鋰資料為正極的鋰離子電池，也有不少國家研發了新的鋰離子電池資料，僅僅當時並沒有規模化出產，有學者指出，至少在10內磷酸鐵鋰正極資料是打開的幹流工業。
電池特點
1、效率輸出：標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈衝放電（10S）可達20C；
2、溫時性能良好：外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃。
3、電池的安全性，有一定的改善，但不徹底，還有危險性。
4、好的循環壽命，經500次循環，其放電容量仍大於95%；
5、放電到零伏也無安全問題；
6、快速充電；
7、成本低；
8、環境無污染。
優點
鐵鋰電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有以下優點：能量密度高、安全性強高溫性能好、高功率輸出、長循環壽命、重量輕，節省機房加固成本、體積小，電池長壽命、 安全性好等優點。
電池對比
磷酸鐵鋰電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有以下優點：
（1） 能量密度高：標稱電壓為3.2V，能量密度是鉛酸電池的4倍左右，體積小、重量輕；
（2）安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能，充放電平台十分平穩，充放電過程中結構穩定，電池不燃燒、不爆炸、安全性好；
（3）高溫性能好：外部溫度55℃時電池正常工作；
（4）高功率輸出：標準放電為0.2C、可3C充放；
（5）長循環壽命：常溫1C充放電，單體經2000次循環後容量仍大於80%；
（6）環保：整個生產過程清潔無毒，所有原料都無毒。
通信用磷酸鐵鋰電池套用相比傳統的鉛酸蓄電池更能體現 “節能”、“節材”、“節地”等節能減排工作的需求。
放電特性
磷酸鐵鋰動力電池（以下簡稱鋰鐵電池）作為鐵電池的一種，一直受到業界朋友的廣泛關注（也有人說鋰鐵電池其實就是鋰離子電池的一種）。就鐵電池而言，它可以分為高鐵電池和鐵鋰電池，以型號為STL18650的鐵鋰電池為例，來具體說明一下鐵鋰的電池的放電特性及壽命。
STL18650的鋰鐵電池（容量為1100mAh）在不同的放電率時其放電特性如圖2所示。最小的放電率為0.5C，最大的放電率為10C，五種不同的放電率形成一組放電曲線。由圖1中可看出，不管哪一种放電率，其放電過程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時，曲線才向下彎曲（放電量達到800mAh以後才出現向下彎曲）。在0.5～10C的放電率範圍內，輸出電壓大部分在2.7～3.2V範圍內變化。這說明該電池有很好的放電特性。
容量為1000mAh的STL18650在不同的溫度條件下（從-20～+40℃）的放電曲線如圖2所示。如果在23℃時放電容量為100%，則在0℃時的放電容量降為78%，而在-20℃時降到65%，在+40℃放電時其放電容量略大於100%。
STL18650鋰鐵電池可以在-20℃下工作，但輸出能量要降低35%左右。
STL18650的充放電循環壽命曲線如圖4所示。其充放電循環的條件是：以1C充電率充電，以2C放電率放電，歷經570次充放電循環。從圖3的特性曲線可看出，在經過570次充放電循環，其放電容量未變，說明該電池有很高的壽命。
採用STL18650（1100mAh）的鋰鐵動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然後用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期後再用0.5C充電率充滿，然後用1.0C放電。最後比較兩種零電壓存放期不同的差別。
試驗的結果是，零電壓存放7天后電池無泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天后的電池再做3次充放電循環，容量又恢復到100%。
這試驗說明該電池即使出現過放電（甚至到0V），並存放一定時間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。
發展前景
鐵鋰電池作為一種新興的電池技術，在業界引起了很大反響，而且由於鋰鐵電池有著眾多優點，並且可以生產出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地套用。下面我們列舉了一些它的主要套用領域，並通過一個典型實例說明它的優越性：
套用領域
1、大型電動車輛：公車、電動汽車、景點遊覽車及混合動力車等；
2、輕型電動車：電動腳踏車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等；
3、電動工具：電鑽、電鋸、割草機等；
4、遙控汽車、船、飛機等玩具；
5、太陽能及風力發電的儲能設備；
6、UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；
7、替代照相機中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；
8、小型醫療儀器設備及攜帶型儀器等。
舉一個用鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的套用實例。採用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數約100次，使用時間約1年。若採用鋰鐵動力電池，採用同樣的360Wh能量（12個10Ah電池串聯組成），其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數可達1000次，使用壽命可達3～5年。雖然說鋰鐵動力電池的價格較鉛酸電池高得多，但總的經濟效果還是採用鋰鐵動力電池更好，並且在使用上更輕便。
鐵鋰電池是一種新型動力電池，由於其性能優良，受到各方面的重視。我國已有一些工廠生產鋰鐵電池正極材料及生產各種不同容量的鐵鋰l動力電池。不過，這種情況可望在2～3年內得到改變，鋰鐵動力電池將更便宜，並且其套用將更普遍，將是未來動力電池市場的主流。
套用方向
（1） 室外一體化鐵電池電源解決方案
室外通信基站太陽直射，內置的鉛酸蓄電池壽命通常不超過2年，本方案採用磷酸鐵鋰電池，耐高溫性能優異，壽命達到5-10年。
此方案中電池的體積小，重量輕，耐高溫、長使用壽命等優勢在“節能”“節材”“節地”三個方面實現節能減排的目的，同時有效降低維護運營成本。
（2） 村通等無空調的基站電源解決方案
村通工程的基站都設在偏遠的農村，規模小、配置小，基本上都沒有空調，而且停電頻繁，鉛酸電池在惡劣環境下工作的壽命短、更換頻繁、偏遠農村的維護成本高。改用鐵電池，則高溫性能好、可深度充放電，循環壽命長，體積小、重量輕，安裝輕便，可以在“節能”“節地”“節材”三方面達到節能減排的目的，同時還能改善網路供電質量。
（3） 空間緊張的室內宏基站電源解決方案
室內宏基站數量多，覆蓋廣，要求供電可靠，所以一般都有兩組電池備電。站內鉛酸電池占地面積大、重量過重，當話務量增多而引起擴容需求時站內空間制約了新增設備的可能。
如果採用一體化開關電源配合鐵電池，則可降低機房中電源及電池的占地面積，滿足設備擴容的需求。同時鐵電池耐高溫性能優異，可以將站內空調啟動溫度提高到35度左右，能夠降低空調的能耗，通過節省電費有效降低運營成本，在“節能”“節地”“節材”三方面達到節能減排的目的。
（4） 室內覆蓋/分散式站電源解決方案
原有2G網路的室內覆蓋，加之3G及WLAN熱點的不斷新建，室內覆蓋站的數量將進一步增多。由於室內覆蓋站點取電一般就近選擇市電，選擇48V通信電池模組或鐵電池UPS進行備電則可有效解決該類問題。
（5） 通信用高壓直流電源系統（HVDC）供電方案
針對數據中心的供電方案，行業專家提出了通信用240V/336V高壓直流電源系統。該系統對蓄電池的要求的特點是高電壓（240V/336V）、短時間、大電流放電。如採用機架式磷酸鐵鋰電池組則有以下優勢：
(a) 重量輕，節省機房加固成本；
(b) 體積小，可以與HVDC系統以列頭櫃形式並列安放，不用單獨建立電池房，也可節省供電系統的占地面積，提高通信設備機架裝機率；
(c) 鐵電池可高倍率放電，降低蓄電池配置的容量；
(d) 鐵電池放電平台穩定,在電池供電模式下穩定的輸入電壓避免設備因輸入電壓的大範圍波動而引起異常。
（6） 嵌入式UPS交流電源系統供電方案
對於中小型數據中心，歐美的已開發國家還有一種嵌入式UPS分散式供電方案，即用小功率UPS與網路櫃配合以機櫃為單位為伺服器供電。選擇鐵電池UPS有以下優勢：
（a） 重量輕，節省機房加固成本；
（b） 體積小，3KVA鐵電池機UPS僅占網路櫃2U空間，提高伺服器裝機率；
（c） 電池長壽命，主機與電池壽命幾乎相同，降低電池更換成本；
（d） 安全性好，鐵電池不起火、不爆炸，滿足IDC機房高安全性的要求
充電技術
一般使用恆壓恆流充電法，當3.2V標稱的鋰鐵電池的電壓達到3.6V時應馬上停止充電或者使用維持很小的充電電流。當鋰電池的電壓很低，如2V以下時，使用涓流充電可延長電池壽命。
