磷酸鐵鋰電池工作原理詳細圖解

　　FePO4電池的內部結構如圖下圖所示

　　磷酸鐵鋰電池工作原理

　　上邊是橄欖石（olivine）結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔（aluminium foil）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(kāi)，但鋰離子Li 可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，右邊是由碳（carbon）（石墨graphite）組成的電池負極，由銅箔（copper foil）與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)（electrolyte），電池由金屬外殼密閉封裝。

　　LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li 通過(guò)聚合物隔膜向負極遷移;在放電過(guò)程中，負極中的鋰離子Li 通過(guò)隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的。

　　1、電池充電時(shí)，Li 從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場(chǎng)力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)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(shí)，電子經(jīng)導電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)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(jīng)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(shí)，Li 從石墨晶體中脫嵌出來(lái)，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時(shí)，電池經(jīng)導電體流向負極的銅箔集電極，經(jīng)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(jīng)導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。

　　從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰電池的充放電過(guò)程需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(shí)現大倍率放電時(shí)，仍然需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。

　　為了解決磷酸鐵鋰電池正負極的導電問(wèn)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(wǎng)絡(luò )。

　　2 、如果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(guò)程中，電荷保持動(dòng)態(tài)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(gè)等式實(shí)際上是鋰離子動(dòng)力電池設計的重要原則，但是，在實(shí)際設計過(guò)程中和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如何實(shí)現上述三個(gè)等式，還需要設計一系列的實(shí)驗來(lái)進(jìn)行驗證，建立數學(xué)模型或者建立經(jīng)驗公式，然后通過(guò)這些模型或者公式來(lái)進(jìn)行鋰離子電池的設計）

　　圖-3：導電網(wǎng)絡(luò )示意圖

　　圖-4：磷酸鐵鋰和SP分散后的電鏡照片