磷酸铁锂的工作原理是怎样的，在实际使用中它又有着什么样的优势
引言
磷酸铁锂电池(LiFePO4)至今仍是最安全的锂电池，并逐渐为人们所喜爱，其在中国的方形电池中得到了最为广泛的应用。
同每充电一次只能行驶30英里的铅酸电池不同，应用于改装电动汽车的磷酸铁锂电池充电一次通常能够行驶80英里以上。
在关于锂离子的论述中，接下来所提到的“离子”就是“锂离子”。
磷酸铁锂电池的原理和分类
锂的稳定低能离子为1+。当然，也有带负电离子，但是在标准温度和压力下锂很难带负电。
氯化物、碳酸盐、氧化物、磷酸盐—这些都是负离子或阴离子，其稳定低能态为Cl-、CO32-、O2-以及PO43-。
离子的带电状态越远离其自然的、放松的以及低能的状态，则越不稳定。越不稳定，它就会越急切地想要回到此前的状态，也就会消耗更多的能量。
制作一个锂离子电池，仅需获得锂盐并去除其碳酸盐负离子。
可再充电电池将化学能转化为电势，一个带正电的锂离子进入阴极就有一个带负电的电子离开。
实际上，差不多每秒有无数的电子。这样电子运动便使电路产生了电流。在电动汽车系统中，势能存在于一个完全充电的电池组中，动能使电动汽车的车轮转动。
电池是电路的一部分，如果电子的流动被堵塞了，那么电子的流动也会相应放慢，于是整个电路便遇到了瓶颈。没有电子的流动就没有离子的流动，反之亦然。
在锂离子电池中，阴极和阳极实际上是类似于箔片的薄片。
阴极是由如尖晶石和橄榄石的晶体构成时，有点像是项链上的钻石，但是实际上它反而是又宽又扁并被黏稠的黑色粉末所覆盖了，锂电池主要分为以下几种类型：
1、圆柱形
A123制造的AA型电池就是一种圆柱形电池实际上，称这种类型为“卷绕式”更为准确，因为不同类型的区别不仅在于其表面。
圆柱形电池的电极和隔板一起被卷起来就像是长的凝胶卷，并且每个凝胶卷适合一个封装，然后单体电池可以变换封装成所需要的电池外壳类型。
2、方形
方形电池的电极和隔膜叠在一起就像一本书里的书页。电动汽车改装者从如中航锂电和中聚电池的中国公司购买的电池就是方形电池。
它们呈矩形状，有点类似乐高积木，但不能互锁。据称，由于肋状设计而使空气能够在其中流通，方形电池易于冷却。
在为大电流设备如电动汽车提供电流时，这是一个十分重要的因素，然而实际中这并没有太大的问题。
电池的空气冷却无论如何都要比液体冷却更便宜和简单。
3、软包
一般见到的软包电池大部分都是锂聚合物电池，软包电池的电极和隔膜没有置于一个外壳内，而是随电解质一起置于袋中。
电池电极可以接入导电箔接线片。软包电池的优势在于其可以适应各种空间，而刚性壳不可以，可以按需求将其制成任意形状。
缺点是这些导电箔易损，汽车的行驶环境是有颠簸、冲撞和振动的，这些都会破坏电池的连接。锂聚合物电池使用固态电解质而不是液态，能够保持形状。
但是软包电池容易膨胀，所以当在电动汽车上为它们制造电池框架时应该考虑到这一点。
锂电池的热失控
首先，什么是热失控。简而言之，是锂使自己着火的趋势。当我们首次发现锂擅长储能时，我们试图用它制作电池。
在对铅酸电池和其金属铅电极有经验的情况下，使用金属锂电极制作锂电池是可以的，它们有超出人们意料的能量密度。
而不幸的是，它们也具有着火的倾向。
从分子水平看，这是由于锂的氧化反应发热量大，意思是反应发生就会释放热量。
一个分子反应放出热量使周围分子反应速度加快，导致了不受控制反应恶性循环。这是热失控的基本原理。
热失控可以在一节电池内部发生，也可以以同样的方式在一组电池中发生。
如果一节已经着火的电池放置在其他没有着火的锂电池旁边，那么很快电池组中所有的锂电池就会燃烧起来。
在第一节锂电池研制出来的后续几年里，研究证明了如果首先使锂溶解，带正电的锂离子相较于金属锂要温和得多——尽管能量密度要差一些。
科学家发现如果他们对锂离子电池而非锂金属电池采取合理的保护(尤其是在充电过程)，那么电池将会很正常地工作。
大部分自身容易热失控的锂离子电池同时也是能量最密集的，如锂钴氧化物，其在302。
F达到热失控温度。自身最不容易热失控的锂离子电池同时也是能量最不密集的，如磷酸锂，其热失控温度为518。F。
其他锂离子电池介于两者之间，锰尖晶石成为最安全的LiFePO4替代物，热失控温度为482。F。
LiFePO4的安全性远高于其他锂离子电池，因为每个分子都有一个化学安全链，这有助于整个电池的稳定性。
化学家认为锂离子磷酸盐的氧化产物是稳定的磷酸铁，锂离子磷酸盐的完全氧化发生时电压相对较低，并且磷酸盐由于其强有力的化学键，是非常耐热的分子。
另一方面，其他锂离子化学物质严重依赖于化学制动不失效，使安全电池管理系统以确保热失控没有机会发生。
磷酸铁锂电池的优势
LiFePO4阴极如此特别的原因是什么？对于电动汽车其有三大优势：
首先就是功率密度。虽然并不是每个LiFePO4电池都有最优的功率密度，但其他可用的锂离子电池提供功率的能力都不如LiFePO4。
在实验室中可以通过许多方法对阴极进行改性。
化工基础使这样的能量密度成为可能的同时也使LiFePO4成为快速充放电的主要候选，仅次于超级电容。
其次，循环寿命。LiFePO4的阻抗比其他锂离子化学物质要小，其以树枝晶和“青苔状锂”的形式转化成阳极上的少量锂金属镀层。
这意味着LiFePO4电池比其他锂离子电池持续的时间更长。CALB(中航锂电)声称其电池在80%深度放电时循环寿命可达3000次。
如果合理地使用，它就能够拥有10年的使用寿命。
第三就是安全性。由于不得不面对电池进入热失控的状态，其热失控温度为518。F，明显高于其他锂化学物质。原因在于以分子水平运作的电池管理系统。
接下来我们可以不从分子角度讨论一下LiFePO4，并了解LiFePO4的一些特质FeO6中的氧分子被铁包围，因此其电子与相邻铁的电子隔绝，这就形成了铁绝缘的形式。
由于正确排列的绝缘的晶体结构可以构建离子和电子在阴极中快速流动的小型快速通道，因此我们希望电池阴极材料塞满了绝缘的分子。
但是科学家首先需要使一些电子移动，MichelArmand花费了六个月想出在锂磷酸盐晶体外包一层薄碳可能会明显地提高导电性。
麻省理工学院蒋业明实验室证明了向磷酸铁中掺杂超价离子，也就是带电的高能离子，能够显著提高电子导电率。
掺杂太多会降低导电率，恰到好处的掺杂能使导电率增加若干倍。掺杂是指在制作晶体时添加少量的物质，此处指超价铌或锆离子。
离子根据大小和电荷在可预测的位置自动排列成晶体，那么究竟这种掺杂有什么用？它会稍微使通道变形以创造一个更大的通道以使离子和电子通过。
好像许多LiFePO4阴极研究都走了这样一条路：科学家做一些事情改善导电性能；然后试图解释为什么会起作用；
他们发现他们不能理解并且会出现一系列全新的问题。或者他们创建的计算机模型理论上完美而实际上完全不起作用。
因此MIT的蒋业明团队提出几种想法来解决这个问题。一种是制作非常薄的阴极使其相对于阴极总体积而言表面积较大。
但遗憾的是，这样的阴极十分脆弱并且不会持续很久。蒋业明的另一个想法是在阴极中多增加几层。
代替Westin的35层，在同样的空间设置300层或3000层，这种方法的效果明显好于前一个想法，这就产生了纳米光子学，减小粒径至纳米级使锂离子的体扩散更快。
即使有了这些改进，扩散限制锂化似乎仍是LiFePO4的薄弱环节，理论和计算机模型中，锂离子本该在阴极中迅速通过，但是事实上并没有。
MIT的另一位材料科学家GerbCeder致力于解决这个谜团，并证明了对于LiFePO4有两个区域阻止锂扩散：第一个是在晶粒表面；
第二个是在晶粒内部——称为体扩散。Ceder发现离子不会陷在阴极内部，即使看起来是那样；它们实际是在阴极表面上减慢速度。
为什么？因为锂嵌入LiFePO4阴极的扩散同样不会发生在表面。FePO4有纹理，就像木材——是各向异性的。锂离子仅沿着纹理加载。
锂离子能够足够快地到达阴极，但是它们可能会撞到任意一边然后改变方向四处徘徊一会直到找到入口，这就占用了宝贵的时间。
Ceder发现他可以通过他描述为“跑道”(racetrack)的方式帮助离子，离子可以利用这个“跑道”迅速地从它们到达阴极的任意位置直接移动到纹理正确一边的入口。
一旦他为离子画出地图，锂就会在Ceder的带有涂层的晶体上以令人难以置信的速度加载和卸载。
有人认为该电池未来的版本的充电速度应该可以和提供果汁一样快。
结语
综上所述，磷酸铁锂电池具有高能量密度、高安全性、寿命长、充电性能好等优势。
是电池产业未来发展的重大趋势之一，非常适合应用于电动汽车改造。
参考文献：
《磷酸铁锂电池储能电站消防技术与工程应用》
《锂离子电池用磷酸铁锂正极材料》
《磷酸铁锂电池产品说明书》
《磷酸铁锂生产工艺:原理、技术和应用》
「科·堂」图解磷酸铁锂电池工作原理
本文已获得授权转载自：明哲工作室 作者：叶明哲
随着5G站点大规模的铺开和建设，发现部分站点因为空间狭窄和承重等因素，传统的铅酸电池难以布置和安装，加上站点运行环境恶劣也不利于铅酸电池运行。而铁锂电池体积小，容量大、耐高温性能出色，不存在过放电问题，可以弥补铅酸电池的不足，这里介绍铁锂电池的结构和原理。
1
铁锂电池结构
磷酸铁锂电池简称铁锂电池，采用橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子可以通过而电子不能通过，右边是由石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。
电池的上下端之间是电解质，电池由金属外壳密闭封装，如图1。电池在充电时，正极中的锂离子通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子通过隔膜向正极迁移，锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。
图1 铁锂电池结构图
2
电池充电
充电时，锂离子在电场力的作用下，从磷酸铁锂晶体表面，进入电解液，穿过隔膜，再迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，过程如图2：
图2 电池充电模式
3
电池放电
放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，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。过程如图3：
图3 电池放电模式
磷酸铁锂电池单体标称电压3.2V，单体充电电压为3.7V，放电终止电压为2.5V，电池模组由电池单体和电池管理系统（BMS）组成，通常由15节或16节单体串联组成48V电池模组，推荐15节。
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