浅谈磷酸铁锂电池的性能与应用

一、前言 

目前在锂电池的研究中，所研究的主要正极材料包含有LMin2O4、LiCoO和LiNiO2等，但因钴资源有限，再加上其有毒，在制备钼酸锂上难度较大。自从磷酸铁锂所具的可逆嵌脱锂特性被报道以后，该材料也受到了广泛关注，关于该材料方面的研究和文献报道也随之增多，和传统锂电池比较，磷酸铁锂电池所具安全性能较好，原材料来源比较广泛，循环寿命长且成本较低等，目前在通信、电网建设中已得到广泛应用。 

二、磷酸铁锂电池性能分析 

磷酸铁锂电池正极由LiFePO4材料所构成，由铝箔连接正极；电池负极为碳石墨构成，由铜箔和负极连接；电池中间为聚合物隔膜，借助于此隔开电池正负极，其中锂电子能经过隔膜，而电子不可经过隔膜，在电池内存在电解质。于LiFePO4和FePO4间完成电池充放电反应，充电期间，LiFePO4缓慢脱离出锂离子成为FePO4；放电期间，锂离子嵌入FePO4逐渐形成为LiFePO4。当电池在充电时，自磷酸铁锂晶体电池中锂离子迁移至晶体的表面，于电场力不断作用下开始进入电解液，接着穿过隔膜，而后通过电解液迁移至石墨晶体表面，继而嵌入到石墨晶格。在此时，电子通过导电体逐渐流向电池正极铝箔集电极，通过极耳―电池正极柱―外电路―负极极柱―负极极耳逐步流向至铜箔集流体，最后再通过导电体流至石墨负极，从而使负极电荷可达到平衡。电池在放电期间，锂离子脱嵌于石墨晶体，进入电解液，接着穿过隔膜，通过电解液迁移至磷酸铁锂晶体表面，而后重新嵌入至磷酸铁锂晶格中，此时，电子通过导电体逐渐流向至铜箔集电极，通过极耳―电池负极柱―外电路―正极极柱―正极极耳而流向至铝箔集流体，并再通过导电体流至电池正极，以便正极电荷达到平衡。 

磷酸铁锂电池借助于自身所具独特优势，如高工作电压、绿色环保、能量密度大、支持无极扩展以及循环寿命长等，将其组成为储能系统以后能够大规模储存电能。由磷酸铁锂电池构成的储能系统，除磷酸铁锂电池组外，还包含有电池管理系统、中央监控系统、换流装置以及变压器，其中换流装置中又包括整流器以及逆变器。该系统能量转换机理主要如下：在充电时，间歇式电网或者电源为该系统充电，当交流电通过整流器以后整流形成为直流电，以此为储能电池模块充电，继而完成能量储存工作；在放电时，该系统向负载或者电网放电，同时储能电池模块中直流电通过逆变器成为交流电，经中央监控系统控制逆变器输出，继而为负载或者电网提供可靠且稳定的功率输出。 

三、磷酸铁锂电池的应用研究 

在二次电池产业发展中，磷酸铁锂电池比较成熟，且应用和发展潜力均比较大，其应用主要表现在两个方面，即固定应用以及移动应用，其中固定应用包含有UPS电源、可再生能源发电安全并网、分布式电站以及电网调峰等；移动应用则主要表现在电动交通工具上，下面笔者分别从固定应用和移动应用两个方面就磷酸铁锂电池的应用进行详细地阐述。 

（一）磷酸铁锂电池固定应用 

磷酸铁锂电池固定应用主要表现为以下几个方面：第一，UPS电源：随着经济发展速度的加快，用户对于UPS电源的要求也随之发生了变化，越来越多的行业以及企业对于UPS电源需求逐步倾向于持续性。和铅酸电池相比，磷酸铁锂电池循环使用寿命长、自放电率小、安全且稳定以及成本低等，在UPS电源蓄电池上应用磷酸铁锂电池可获得较为理想的效果。第二，可再生能源发电并网；在可再生能源发电中，风力发电具有波动性、的随机性以及间接性，而这些特征也决定了其发展实现规模化必然会给电力系统稳定、安全且可靠地运行带来明显影响。近年来，伴随着国内风电企业发展速度的加快，风力发电场的并网发电也为大电网控制以及运行等提出了更大的挑战。据调查资料研究发现，影响光伏发电的因素有很多，如天气条件、环境温度以及太阳光照强度等，同时其发电会随着机械波动而发生一定的变化。从目前国内光伏发电情况来看，呈现出一种并网发展趋势，而该趋势也对电力系统运行的稳定性以及电网调峰提出了更高的要求，基于这一形势下，要想有效解决掉电网和可再生能源发电间所存矛盾，其关键就在于储能产品的容量必须要大。由磷酸铁锂电池所构成的储能系统，具有较强的扩展性、工况转换快、安全环保、运行灵活且效率高等优势，目前在国家示范工程已得到应用，从应用情况来来看，设备效率可显著提高，有效解决电压控制所存问题，让可再生能源形成为一种稳定且连续的供电电源。伴随着集成技术水平的提高，储能系统规模的扩大，通过长期安全且可靠的测试，由磷酸铁锂电池构成的储能系统将有望广泛应用于各种可再生能源发电中，从而使电能质量得到明显提升。第三，电网调峰：以往在电网调峰上，常用方法为抽水蓄能电站，这种方法成本较高，同时占地面积也比较大。利用由磷酸铁锂电池构成的储能系统来代替抽水蓄能电站，选址自由，占地少且成本低，不会受地理条件的限制，能够有效调节电网负荷。第四，分布式电站：在大型电网运行和发展中，其自身所存不足保障不了电力供应所提安全、质量、可靠性以及效率等要求，一些重要企业以及单位常常需用双电源或者多电源确保其电网安全稳定运行。而由磷酸铁锂电池构成储能系统能防止或者减少因电网故障或者其他意外事件引发的断电事故，确保一些重要企业和单位供电的可靠性以及安全性，比如银行、指挥控制中心以及医院等。 

（二）磷酸铁锂电池移动应用 

在城市环境污染源中，汽车所排放的尾气为主要污染源，为有效地控制该污染源，传统燃油汽车逐渐被具备环保功能和节能作用的电动车所代替。在十二五专项规划中明确指出把锂离子动力电池当作重点，以促进车用动力电池行业的发展，磷酸铁锂电池循环寿命长、体积小且重量轻德等，将其作为电动工作供电电源，可获得较为理想的效果，伴随着这种电池的快速发展和不断推广，已被广泛应用于便携式电动工具中。 

综上所述，伴随着国内制造行业的快速发展和制造技术的成熟，磷酸铁锂电池也成为当前二次电池产业中潜力发展大的储能电池之一，由该电池所构成的储能系统正逐步向规模化发展，其应用前景将越来越广阔。