磷酸鐵鋰電池工作原理

LiFepO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖下圖所示。

磷酸鐵鋰電池工作原理

左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFepO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)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(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFepO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過程中，負(fù)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(shí)來回遷移而命名的。

1、電池充電時(shí)，Li+從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵，其晶格結(jié)構(gòu)變化如上圖－２。

2、電池放電時(shí)，Li+從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時(shí)，電池經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。

從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰電池的充放電過程需要鋰離子和電子的共同參與，而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達(dá)至平衡。這就要求鋰離子電池的正負(fù)電極必須是離子和電子的混合導(dǎo)體，而且其離子導(dǎo)電能力和電子導(dǎo)電能力必須一致。但是眾所周知，磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能很差。而石墨負(fù)極的導(dǎo)電性雖然要好一些，但是要實(shí)現(xiàn)大倍率放電時(shí)，仍然需要改善負(fù)極的導(dǎo)電性，使其的電子導(dǎo)電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達(dá)至平衡。

為了解決磷酸鐵鋰電池正負(fù)極的導(dǎo)電問題，1、必須在電池的正負(fù)極中加入導(dǎo)電劑，使之在電池的活性材料中形成如圖－３模型和圖－４的電鏡照片所示的有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。2、如果將電池的離子傳導(dǎo)能力設(shè)為I，電子傳導(dǎo)能力設(shè)為E，則理論上I=E；3、為了保證電池在充電和放電過程中，電荷保持動(dòng)態(tài)平衡：I正極=I電解液=I隔膜=I電解液=I負(fù)極，E正極=E正極集流體=E極耳=E正極柱=E外電路=E負(fù)極柱=E負(fù)極耳=E負(fù)極集流體=E負(fù)極。（這三個(gè)等式實(shí)際上是鋰離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的重要原則，但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中和實(shí)際生產(chǎn)過程中，如何實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)等式，還需要設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，建立數(shù)學(xué)模型或者建立經(jīng)驗(yàn)公式，然后通過這些模型或者公式來進(jìn)行鋰離子電池的設(shè)計(jì)）

圖－３：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖－4:磷酸鐵鋰和Sp分散后的電鏡照片