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磷酸鐵鋰離子電池工作原理詳細圖解

鉅大LARGE  |  點擊量:3023次  |  2020年06月04日  

FepO4電池的內部結構如圖下圖所示


磷酸鐵鋰離子電池工作原理


上邊是橄欖石(olivine)結構的LiFepO4作為電池的正極,由鋁箔(aluminiumfoil)與電池正極連接,左邊是聚合物(polymer)的隔膜(diaphragm),它把正極與負極隔開,但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(carbon)(石墨graphite)組成的電池負極,由銅箔(copperfoil)與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(electrolyte),電池由金屬外殼密閉封裝。


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


1、電池充電時,Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面,在電場力的用途下,進入電解液,穿過隔膜,再經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,電子經導電體流向正極的鋁箔集電極,經極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體,再經導電體流到石墨負極,使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后,磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵,其晶格結構變化如上圖-2。


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


從磷酸鐵鋰離子電池的工作原理可知,磷酸鐵鋰離子電池的充放電過程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至平衡。這就要求鋰離子電池的正負電極必須是離子和電子的混合導體,而且其離子導電能力和電子導電能力必須一致。但是眾所周知,磷酸鐵鋰的導電性能很差。而石墨負極的導電性雖然要好一些,但是要實現大倍率放電時,仍然要改善負極的導電性,使其的電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達至平衡。


為了解決磷酸鐵鋰離子電池正負極的導電問題,


1、必須在電池的正負極中加入導電劑,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電網絡。


2、假如將電池的離子傳導能力設為I,電子傳導能力設為E,則理論上I=E;3、為了保證電池在充電和放電過程中,電荷保持動態平衡:I正極=I電解液=I隔膜=I電解液=I負極,E正極=E正極集流體=E極耳=E正極柱=E外電路=E負極柱=E負極耳=E負極集流體=E負極。(這三個等式實際上是鋰離子動力鋰電池設計的重要原則,但是,在實際設計過程中和實際生產過程中,如何實現上述三個等式,還要設計一系列的實驗來進行驗證,建立數學模型或者建立相關經驗公式,然后通過這些模型或者公式來進行鋰離子電池的設計)


圖-3:導電網絡示意圖


圖-4:磷酸鐵鋰和Sp分散后的電鏡照片


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