中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前市場(chǎng)上電動(dòng)自行車用鋰離子電池主要為錳酸鋰電池、三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池,其中磷酸鐵鋰電池因其安全性能好、電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐高溫性能好、綠色環(huán)保、價(jià)格適中等特點(diǎn),是三種鋰離子電池中比較受歡迎的。
1、磷酸鐵鋰電池的構(gòu)造
磷酸鐵鋰電池主要是由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)及金屬外殼組成,其中正極材料是磷酸鐵鋰(LiFePO4),負(fù)極材料是碳(石墨),中間是聚合物的隔膜,內(nèi)部充有電解質(zhì),整體由金屬外殼密閉封裝。
圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
2、磷酸鐵鋰電池的工作原理
①充電
正極材料LiFePO4中的部分Li以Li+從晶格中脫出,依次經(jīng)過電解液、隔膜、電解液之后到達(dá)并且嵌入負(fù)極材料石墨的層狀晶格結(jié)構(gòu)中,完成能量存儲(chǔ)。
LiFePO4 - xLi+ - xe- → xFePO4 + (1-x)LiFePO4
②放電
負(fù)極材料石墨晶格中的Li以Li+自由地從晶格中脫出,依次經(jīng)過電解液、隔膜、電解液之后到達(dá)并且嵌入正極材料中與FePO4結(jié)合形成LiFePO4,完成能量的釋放。
LiFePO4 + xLi+ + xe- → xLiFePO4 + (1-x)FePO4
在這個(gè)充放電循環(huán)過程中,Li+的遷移過程可以理解為“正極-電解液-隔膜-電解液-負(fù)極”。
3、磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)
①結(jié)構(gòu)上
磷酸鐵鋰具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu),O2-與P5+通過強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合形成(PO4)3-,充放電過程中O2-很難脫出,所以電池的結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的。
圖2 磷酸鐵鋰橄欖石結(jié)構(gòu)(圖源:[1])
②性能上
安全性好,充放電過程中,電池結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化,磷酸鐵鋰電池的燃點(diǎn)為800℃,在過充電、外部短路、熱濫用、針刺、擠壓、振動(dòng)等條件下不會(huì)發(fā)生起火、爆炸等現(xiàn)象。
循環(huán)壽命長(zhǎng),磷酸鐵鋰電池1C循環(huán)壽命普遍達(dá)2000次,甚至達(dá)到3500次以上。所謂電池循環(huán)次數(shù),簡(jiǎn)單來講就是電池放電100%的次數(shù),比如電池在滿電的時(shí)候用掉一半,充滿,再用掉一半,總共使用了100%的電量,算作一次循環(huán)。
耐高溫性能好,磷酸鐵鋰電池?zé)岱逯悼蛇_(dá)350~500℃,工作溫度范圍在-20~+75℃,磷酸鐵鋰(LiFePO4)晶體中的P-O鍵穩(wěn)固,在高溫下難以分解,故電池耐高溫性能較好。
4、磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的應(yīng)用
自2019年電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)實(shí)行以來,超標(biāo)電動(dòng)車陸續(xù)退出市場(chǎng),新能安、天能、億緯等蓄電池企業(yè)紛紛推出了適用于電動(dòng)自行車的磷酸鐵鋰電池,雅迪、臺(tái)鈴、小牛等電動(dòng)車企業(yè)也陸續(xù)推出了以磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池的電動(dòng)自行車。2022年12月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)下達(dá)的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)自行車用鋰離子蓄電池安全技術(shù)規(guī)范》的立項(xiàng)計(jì)劃,能有效預(yù)防劣質(zhì)電池流入市場(chǎng),也為鋰電池類電動(dòng)自行車用戶提供了安全保障,據(jù)中國(guó)自行車協(xié)會(huì)初步統(tǒng)計(jì),2022年我國(guó)電動(dòng)自行車銷量約為5000萬輛,磷酸鐵鋰電池電動(dòng)自行車大量流入市場(chǎng)。
5、小結(jié)
在選擇電動(dòng)自行車用的蓄電池時(shí),用戶一般會(huì)從續(xù)航能力、安全性、性價(jià)比等方面進(jìn)行對(duì)比。電動(dòng)自行車作為短途代步工具,磷酸鐵鋰電池續(xù)航里程可達(dá)100㎞以上,完全可以滿足用戶的需求;磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,耐高溫性能優(yōu)越,安全上有保證;電池行業(yè)平均成本顯示,磷酸鐵鋰電池為0.6元/Wh,三元鋰電池為0.8元/Wh,按1300Wh電池計(jì)算,磷酸鐵鋰電池價(jià)格相較于三元鋰電池可便宜260元。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù),磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在電動(dòng)自行車動(dòng)力電池上的技術(shù)已相對(duì)成熟,在資金預(yù)算范圍內(nèi),可以優(yōu)先考慮選擇磷酸鐵鋰電池。
參考來源:
[1] Padhi, Nanjundaswamy, Goodenough. Journal of the Electrochemical Society 144, 1188 (1997)
[2]曾帥波等.基于三元、磷酸鐵鋰和錳酸鋰正極的電化學(xué)性能比較。
[3]中國(guó)自行車協(xié)會(huì)
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn))
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