磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池比一般的鋰離子電池更安全,具有可提供5~100AH容量的一系列大電芯尺寸,比傳統電池具有長得多的迴圈壽命。其中,圓柱形磷酸鐵鋰電池是所有系列中最熱門的產品之一,它們具有許多優異功能:

˙高能量密度,270~340Wh/L;這意味著工作時間長。

˙穩定的放電電壓。

˙同一批次不同電芯之間的良好一致性。

˙迴圈壽命長,2,000次充放電後,還剩餘80%容量。

˙快速充電,可在1小時內完成充電。

˙安全和耐高溫性能。

磷酸鐵鋰是一種鋰離子電池,因為能量以相同方式儲存,它移動和儲存鋰離子而不是鋰金屬。這些電芯和電池不僅具有高容量,且可提供高功率。目前,大功率磷酸鐵鋰電池現已成為現實,它們可用作儲能單元或電源。

此外,磷酸鐵鋰電池是有史以來生命力最旺盛的電池之一。實驗室的測試資料顯示,它具有最多2,000次充/放電迴圈,這是由於磷酸鐵極其堅固的晶體結構,其在充放電期間不會因鋰離子的反覆嵌入和脫嵌而分解。

20181113TA31P1-1 表1 磷酸鐵鋰電池充放電主要參數。

雖然含有鋰鈷氧化物(LiCoO2)的小容量鋰離子(聚合物)電池提供了最佳的品質能量密度和體積能量密度,但鋰鈷氧化物非常昂貴,且對大容量鋰離子電池不安全。最近,磷酸鐵鋰已成為大容量和高功率應用商用鋰離子(和聚合物)電池材料的「最佳選擇」,如用於筆記型電腦、電動工具、電動輪椅、電動自行車、電動汽車和電動巴士。

磷酸鐵鋰電池具有混合特性:它與鉛酸電池(LA Battery)一樣安全,也與鋰離子電池一樣強大。以下列出含有磷酸鐵鋰的大規格鋰離子(和聚合物)電池的優點。

常規充電

在傳統的鋰離子充電過程中,含有磷酸鐵鋰的常規鋰離子電池需要兩個步驟才能充滿電。

步驟1:使用恆流(CC)充電、達到約60~70%的充電狀態(SOC);當每個電芯的充電電壓達到3.65V時(這是有效充電電壓的上限),進入步驟2,恆壓(CV)充電。從CC轉到CV意味著充電電流受到電池在該電壓下可接受電流的限制,因此,充電電流逐漸減小,就像透過電阻為電容充電一樣,電壓漸漸達到最終值。

用時間計算的話:步驟1(60~70%的SOC)需要約一到兩個小時;步驟2(30~40%的SOC)也是需要兩小時左右。

由於可在不分解電解質的情況下對磷酸鐵鋰電池施加過電壓,因此可以僅透過CC的步驟1來充電以達到95%的SOC,或利用CC+CV充電以獲得100%的SOC。這與鉛酸電池安全強制充電方式類似,最短總充電時間約為兩小時。

20181113TA31P1 圖1 電池充電過程。

大的過充電容差和更安全的性能

磷酸鐵鋰電池具有很窄的過充電容差,在每電芯4.2V充電電壓值之上約0.1V,這也是充電電壓的上限。超過4.3V的連續充電不是減損電池性能(例如縮短迴圈壽命),就是導致火災或爆炸。

磷酸鐵鋰電池具有比其每個電芯3.5V的充電電壓、寬得多的約0.7V的過充電容限。一個磷酸鐵鋰電池的每個電芯可以安全地過充電到4.2V,但更高的電壓將開始分解有機電解質。然而,通常使用鉛酸電池充電器為12V 4電芯串聯電池組充電,無論是交流供電還是使用汽車的交流發電機,這些充電器的最大電壓為14.4V。它可正常工作,但鉛酸充電器會將浮充電壓降低到13.8V,因此通常會在磷酸鐵鋰電池組達到100%滿量前停止充電,因此,需要特殊的磷酸鐵鋰充電器才能可靠地達到100%的容量。

由於安全係數增加,這些電池組是大容量和高功率應用的首選。從大的過充電容差和安全性能的角度來看,磷酸鐵鋰電池類似鉛酸電池。

20181113TA31P2 圖2 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的充電過程對比。

能量密度比鉛酸電池高三倍

鉛酸電池是含水系統。放電時,額定單電芯電壓為2V。鉛是重金屬,其比容量(specific capacity)僅為44Ah/kg。相比之下,磷酸鐵鋰電池是非水系統,在放電時,具有3.2V的額定電壓。其比容量超過145Ah/kg。因此,磷酸鐵鋰電池的重量能量密度為130Wh/kg,是鉛酸電池(35Wh/kg)的四倍,高三倍的能量密度使磷酸鐵鋰電池在技術用途上比鉛酸電池更受青睞。

20181113TA31P3 圖3 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池放電過程對比。

成本更低

磷酸鐵鋰電池具有的較大過充電容差和自平衡特性,可簡化電池保護及均衡電路板設計,降低了成本。一步完成的充電過程允許使用更簡單的傳統充電器為磷酸鐵鋰電池充電,而不是非得使用昂貴的專業鋰離子電池充電器。

更長的迴圈壽命

與迴圈壽命為400次的鋰鈷氧化物電池相比,磷酸鐵鋰電池的迴圈壽命延長至2,000次。

高溫性能

鋰鈷氧化物電池在高溫(例如60℃)下工作是很危險的。然而,磷酸鐵鋰電池在高溫下可工作得更好,由於更高的鋰離子電導率,它可提供額外的10%容量。

磷酸鐵鋰電池主要優點包括...

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