lifepo4电池工作原理

自鋰离子电池问世以来，围绕它的研究、开发工作一直不断地进行着，上世纪90年代末又开发出鋰聚合物电池，2002年后则推出磷酸铁鋰动力电池。

鋰离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的性能，并且有不同的名称。目前市场上的鋰离子电池正极材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外还有少数采用氧化锰鋰（LiMn2O4）及氧化镍鋰（LiNiO2）作正极材料的鋰离子电池，一般将后两种正极材料的鋰离子电池称为”鋰锰电池”及”鋰镍电池”。新开发的磷酸铁鋰动力电池是用磷酸铁鋰（LiFePO4）材料作电池正极的鋰离子电池，它是鋰离子电池家族的新成员。

LiFePO4是一种锂离子电池正极材料。LiFePO4在自然界是以磷铁锂矿形式存在的，其结构稳定、资源丰富、安全性能好、无毒。与传统的锂离子电池正极材料LiMn2O4和LiCoO2相比，LiFePO4 原料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。环境友好、热稳定性好、是下一代锂离子蓄电池正极最有竞争力的材料之一。LiFePO4材料虽然具有许多优良的电化学性能，但是还存在扩散系数小等方面的问题。因而国内外学者在提高LiFePO4的导电能力方面竞相展开了研究。

一般鋰离子电池的电解质是液体的，后来开发出固态及凝胶型聚合物电解质，则称这种鋰离子电池为鋰聚合物电池，其性能优于液体电解质的鋰离子电池。磷酸铁鋰电池的全名应是磷酸铁鋰鋰离子电池，这名字太长，简称为磷酸铁鋰电池。由于它的性能特别适于作动力方面的应用，则在名称中加入”动力”两字，即磷酸铁鋰动力电池。也有人把它称为”鋰铁（LiFe）动力电池”。

LiFePO4电池中某电极的工作原理如图：

（1）放电时，该装置是原电池，Fe元素化合价由+3价变为+2价，得电子发生还原反应，所以该电极是正极，电极反应式为FePO4+e-+Li+=LiFePO4，

（2）电解含有0.01mol CuSO4和0.01molNaCl的混合溶液100mL，电路中转移了0.02mol e-，

阳极：2Cl--2e -=Cl2↑，

0.01mol 0.01mol 0.005mol

4OH--4e-=2H2O+O2↑，

0.01mol 0.01mol 0.0025mol

阴极：Cu2++2e-=Cu

0.01mol 0.02mol

所以阳极上生成的气体在标准状况下的体积=（0.005mol+0.0025mol）×22.4L/mol=0.168L；

（3）铁做阳极，碳做阴极电解饱和食盐水，阳极Fe失电子生成亚铁离子，则阳极的电极方程式为Fe-2e-=Fe2+，阴极氢离子得电子生成氢气，则阴极的电极方程式为：2H++2e-=H2↑；溶液中生成Fe2+、H2、和OH-，则电解的总方程式为：Fe+2H2O 通电/.Fe（OH）2↓+H2↑；

FePO4电池的内部结构如图下图所示

LiFePO4电池的结构与工作原理

LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄欖石结构的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，但鋰离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（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池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

磷酸铁锂电池工作原理

上边是橄榄石（olivine）结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔（aluminium foil）与电池正极连接，左边是聚合物（polymer）的隔膜（diaphragm），它把正极与负极隔开，但锂离子Li 可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（carbon）（石墨graphite）组成的电池负极，由铜箔（copper foil）与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质（electrolyte），电池由金属外壳密闭封装。

LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li 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Li 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。

1、电池充电时，Li 从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，其晶格结构变化如上图-2。

2、电池放电时，Li 从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电池经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。

从磷酸铁锂电池的工作原理可知，磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。这就要求锂离子电池的正负电极必须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是众所周知，磷酸铁锂的导电性能很差。而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电时，仍然需要改善负极的导电性，使其的电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力达至平衡。