磷酸铁锂电池的特性

与铅酸、镍氢、镍镉电池等传统水系二次电池相比，磷酸铁锂锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高、电池安全性高等优点。 磷酸铁锂电池已成为各种电池系统中最有前途的电池系统。 因此，磷酸铁锂电池广泛应用于电动汽车供电、大型储能、通信基站、电动自行车、太阳能电池板系统等领域。 本文主要对LiFePO4锂离子电池的循环寿命、高速充放电性能、针刺安全性、重量能量密度等方面进行研究和阐述。

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一、磷酸铁锂电池的循环性能

电池作为电动汽车的关键部件之一，约占电动汽车成本的一半。 因此，电池的寿命直接决定了电动车的使用成本。 由于磷酸铁锂电池的正负极材料化学性能稳定，放电过程中的充电量和电压变化很小，因此循环寿命很长。 图1为20Ah 12v锂离子电池以1C电流充电至3.65V后转恒压直至电流降至0.02C； 放电电流为1C，截止电压为2.0V（充放电深度100%）条件下的循环寿命。

如图1所示，电池在循环超过1600次后剩余容量仍为初始容量的80%以上。 虽然目前磷酸铁锂供电电池的成本略高于铅酸电池，但更长的电池寿命将显着降低电动汽车的使用和维护成本。

2、不同倍率下的放电性能

由于磷酸铁锂电池在实际应用中可以以不同的速率放电，因此在一些电池系统中，随着放电电流的增加，放电容量会迅速下降。 因此，要了解磷酸铁锂电池在高倍率下的放电性能，将20Ah磷酸铁锂电池分别以0.5C、1C、3C放电。 结果如图 2 所示。

从图2可以看出，当放电电流从0.5C增加到3C时，电池的放电容量略有下降，但仅下降了不到5%，说明磷酸铁锂电池在高倍率下仍然表现良好工作中。 同时3C放电倍率可以满足电动汽车在高倍率放电条件下的需求，因此电动汽车具有很强的爬坡和加速能力。

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3、充电功率大

电池的快速充电性能可以使电动汽车在意外情况下使用应急充电方式，这对于电动汽车的使用更加方便。 图3为实际容量为20Ah的电池，以3C电流充电，达到3.65V，转为恒压充电后的测试结果。

从图3可以看出，在充电初期，电池的容量随时间呈线性变化。 15分钟可达55%电量，25分钟可达90%，30分钟可达95%以上。 这表明磷酸铁锂电池可以以更高的速率充电，并且可以在短时间内将电池充满。

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4、磷酸铁锂电池的安全性

LiFePO4材料化学性质非常稳定，尤其是高温稳定性非常好。 即使在很高的温度下也不能分解释放出氧气，所以磷酸铁锂电池的安全性能非常好。 它们不易燃烧和爆炸等危险。

通过良好的结构设计，进一步提高了安全性，使电池在受到撞击、针刺、短路等情况下不会燃烧或爆炸。图4为充满电的20Ah LiFePO4电池组，钢材用直径8mm的钉子快速刺破电池组，记录电池组的电压和温度变化。

由图4可见，在入钉初期，由于内部短路，电池电压迅速下降，释放出一定的热量，温度升高。

但由于穿孔后电池内部真空度明显下降，导致短路接触部分变形，出现接触不良。 此时不再有热量散发，电压趋于稳定，电池温度仅略有升高。

5、磷酸铁锂电池能量密度

重量能量密度是电池性能的重要指标。 图5显示了一个20Ah的磷酸铁锂充满电后以0.3C倍率放电至2.0V。 可以对放电曲线进行积分，得到电池释放的能量。

经过积分计算，20Ah的磷酸铁锂电池释放出70.7Wh的能量。 电池重量为580g，因此可以计算出磷酸铁锂电池的重量能量密度为121.90Wh/kg。

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6. 磷酸铁锂电池在不同温度下的放电

由于电动汽车的使用地域差异较大，一些地方在冬季出现低温天气情况，低温势必会对电池性能造成一定的影响。

因此，要了解磷酸铁锂电池在低温下的放电性能，测试将一块20Ah的磷酸铁锂电池在-20℃、-10℃、0℃、25℃和55℃下存放20小时就成了。 然后在这种低温环境下以0.3℃倍率放电（室温下，0.3℃放电容量为100%）。 结果如图 6 所示。

图 6 显示，磷酸铁锂电池在 -20°C 的室温下只能释放约 55% 的容量，因此可能会对电动汽车在运行过程中产生不利影响。 但是，随着温度的降低，单体电池的放电容量下降更多。 电动汽车通常组合了数百个电池，电池在运行时会释放一些热量，电池的温度需要升高。

因此，在实际应用中的电池组中，低温放电问题并不是很严重。 测试时，由于单体电池外露比表面积大，温度与环境温度相同，因此对放电容量影响较大。 在较高温度下，LiFePO4 电池受到的影响较小。 例如，电池在 55°C 时的放电容量与 25°C 相比略有增加。

以上研究表明，磷酸铁锂电池寿命长、安全性高、能量密度高。 同时，由于房车锂电池在整个生产过程中不使用铅、镉、汞、六价铬等有毒重金属，电池封装材料不含多溴联苯和多溴联苯醚，LiFePO4电池也更环保。 因此，磷酸铁锂电池将在电动汽车、大规模化学储能等领域得到更广泛的应用。