影響低溫鐵鋰電池的因素

導(dǎo)電性差、鋰離子擴(kuò)散速度慢。高倍率充放電時(shí)，實(shí)際比容量低，這個(gè)問(wèn)題是制約磷酸鐵鋰電池發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒(méi)有大范圍的應(yīng)用，這是一個(gè)主要的問(wèn)題。但是，導(dǎo)電性差目前已經(jīng)得到比較完美的解決：就是添加C或其它導(dǎo)電劑。目前在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)在前驅(qū)體添加有機(jī)碳源和高價(jià)金屬離子聯(lián)合摻雜的辦法來(lái)改善材料的導(dǎo)電性（A123、煙臺(tái)卓能正采用這種方法），研究表明，磷酸鐵鋰的電導(dǎo)率提高了7個(gè)數(shù)量級(jí)，使磷酸鐵鋰具備了和鉆酸鋰相近的電導(dǎo)特性。實(shí)驗(yàn)室報(bào)道當(dāng)0.1C充放電時(shí)，可以達(dá)到165mAh/g以上的比容量，實(shí)際達(dá)到135-145mAh/g，基本接近鉆酸鋰的水平；但是鋰離子擴(kuò)散速度慢的問(wèn)題到目前仍然沒(méi)有得到較好的解決，目前采取的解決方案主要有納米化LiFePO4晶粒，從而減少鋰離子在晶粒中的擴(kuò)散距離，再者就是摻雜改善鋰離子的擴(kuò)散通道，后一種方法看起來(lái)效果并不明顯。納米化已經(jīng)有較多的研究，但是難以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，目前只有A123宣稱掌握了LiFePO4的納米化產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

振實(shí)密度較低。一般只能達(dá)到0.8-1.3，低的振實(shí)密度可以說(shuō)是磷酸鐵鋰的很大缺點(diǎn)。所有磷酸鐵鋰正極材料決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以其使用范圍受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取代鉆酸鋰。但這一缺點(diǎn)在動(dòng)力電池方面不會(huì)突出。因此，磷酸鐵鋰主要是用來(lái)制作動(dòng)力電池。

磷酸鐵鋰電池低溫性能差。盡管人們通過(guò)各種方法（例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能，通過(guò)改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過(guò)加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等）改善磷酸鐵鋰的低溫性能，但是磷酸鐵鋰材料的固有特點(diǎn)，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。一般情況下，對(duì)于單只電芯（注意是單只而非電池組，對(duì)于電池組而言，實(shí)測(cè)的低溫性能可能會(huì)略高，這與散熱條件有關(guān)）而言，其0℃時(shí)的容量保持率約60~70%，-10℃時(shí)為40~55%，-20℃時(shí)為20~40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動(dòng)力電源的使用要求。當(dāng)前一些廠家通過(guò)改進(jìn)電解液體系、改進(jìn)正極配方、改進(jìn)材料性能和改善電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等使磷酸鐵鋰的低溫性能有所提升，但還未真正滿足需求。

電池存在一致性問(wèn)題。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過(guò)2000次，但電池組的壽命會(huì)大打折扣，有可能是500次。因?yàn)殡姵亟M是由大量單體電池串并而成，其工作狀態(tài)好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個(gè)人都是短跑健將，如果大家的動(dòng)作一致性不高，隊(duì)伍就跑不快，整體速度甚至比跑得最慢的單個(gè)選手的速度還要慢。電池組同理，只有在電池性能高度一致時(shí)，壽命發(fā)揮才能接近單體電池的水平。而在現(xiàn)有的條件下，由于種種原因，制作出來(lái)的電池一致性不佳，進(jìn)而影響到電池的使用性能和整體壽命，因此應(yīng)用在動(dòng)力汽車(chē)上存在一定障礙。

影響電池產(chǎn)品一致性的因素主要有三點(diǎn)：

1）原材料的品質(zhì)：特別是磷酸鐵鋰材料系新生事物，其制造設(shè)備、合成工藝都不安全成熟、品質(zhì)易出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致電池產(chǎn)品一致性受到影響。

2）生產(chǎn)環(huán)境：磷酸鐵鋰電池做誒一個(gè)化工原料眾多、工藝繁雜的高科技產(chǎn)品，其生產(chǎn)環(huán)境對(duì)溫度、濕度、粉塵等都有很高的要求，如果沒(méi)有控制到位，電池品質(zhì)將出現(xiàn)波動(dòng)。

3）制造設(shè)備：生產(chǎn)過(guò)程中手工的成分越少、設(shè)備自動(dòng)化程度越高，電池一致性越好。

因此，磷酸鐵鋰電池要做到一致性好，關(guān)鍵是：1）原材料的把握；2）精密的電池生產(chǎn)設(shè)備；3）對(duì)工藝制作及流程的關(guān)鍵位有精細(xì)的控制模式；還有重要一點(diǎn)的是，配料過(guò)程的控制，特別是漿料的均勻一致性特別重要，在每個(gè)步驟都要做到充分均勻。也就是說(shuō)，只要生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，磷酸鐵鋰電池的一致性問(wèn)題可以得到有效解決。

制造成本高。磷酸鐵鋰具有安全性、環(huán)保性、循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，但目前的制造成本相對(duì)鉛酸電池、錳酸鋰電池要高，主要是工藝和技術(shù)方面的原因，致使材料的產(chǎn)能和良率不高。但通過(guò)合適的制備設(shè)備、制備工藝和元素?fù)诫s的方法，這一問(wèn)題可以得到有效解決。

LiFePO4活性材料粒徑的大小對(duì)電池的低溫放電性能影響較大。粒徑減小，一方面鋰離子在LiFePO4材料內(nèi)部擴(kuò)散路徑減小，另一方面材料的活性比表面積增大，電化學(xué)反應(yīng)活性增加，因此，小粒徑的LiFePO4電池在-30℃以低倍率放電時(shí)中點(diǎn)電壓高于大粒徑的LiFePO4電池。

但是，當(dāng)電池在低溫大倍率放電時(shí)，顆粒與顆粒之間的接觸電阻會(huì)成為影響電池低溫放電性能的主要因素[5]，與大粒徑的LiFepO4材料相比，小粒徑的LiFepO4材料其顆粒與顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量增加，電阻亦會(huì)增加，因此小粒徑的LiFePO4電池的低溫大倍率放電中點(diǎn)電壓反而低于大粒徑的LiFePO4電池。