【智享新动力●文档分享】磷酸铁锂动力电池设计知识详解

来源：廉玉波（比亚迪）

智享新动力

在LiFePO4的晶体结构中，氧原子呈六方紧密堆积排列。PO4四面体和FeO6八面体构成晶体的空间骨架，Li和Fe占据八面体空隙，而P占据四面体空隙，其中Fe占据八面体的共角位置，Li占据八面体的共边位置。FeO6八面体在晶体的bc面上相互连接，b轴方向上的LiO6八面体结构相互连接成链状结构。1个FeO6八面体与2个LiO6八面体和1个PO4四面体共棱。

由于FeO6共边八面体网络不连续，致使不能形成电子导电；同时，PO4四面体限制了晶格的体积变化，影响了Li+的脱嵌和电子扩散，导致LiFPO4正极材料电子导电率和离子扩散效率极低。

LiFePO4电池的理论比容量较高（约为170mAh/g） ，放电平台是3.4V。Li+在正负两极之间往返脱－嵌实现充放电，充电时发生氧化反应，Li+从正极迁出，经电解液嵌入负极，铁从Fe2+变成Fe3+，发生氧化反应。

磷酸铁锂电池左边是橄榄石结构的LiFePO4材料构成的正极，由铝箔与电池正极连接。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。中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。电池内部充有电解质，电池由金属外壳密闭封装。

磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。

电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨晶格中。

与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳流向电池负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。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，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。

与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。锂离子嵌入到磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂。

磷酸铁锂电池的特点

1.能量密度较高

据报道，2018年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在160Wh/kg 左右，2019年一些优秀的电池厂家大概能做到175-180Wh/kg的水平，个别厉害的厂家采用叠片工艺、容量做得大些，或能做到185Wh/kg。

2.安全性能好

磷酸铁锂电池正极材料电化学性能比较稳定， 这决定了它具有着平稳的充放电平台，因此，在充放电过程中电池的结构不会发生变化，不会燃烧爆炸，并且即使在短路、过充、挤压、针刺等特殊条件下，仍然是非常安全的。

3.循环寿命长

磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达2000次， 甚至达到3500次以上， 而对于储能市场要求达到4000-5000次以上， 保证8-10年的使用寿命， 高于三元电池1000多次的循环寿命， 而长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右。

4.安全环保

磷酸铁锂电池不含任何重金属和稀有金属，安全，无毒无污染，为绝对的绿色环保电池。由于磷酸铁锂材料整个生产过程中，清洁无毒，所有的原材料均为无毒无污染。

2、来源：网络，由动力君整理编辑