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磷酸铁锂电池工作原理详细图解



  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。

  1、必须在电池的正负极中加入导电剂,使之在电池的活性材料中形成如图-3模型和图-4的电镜照片所示的有效的导电网络。

  2 、如果将电池的离子传导能力设为I,电子传导能力设为E,则理论上I=E;3、为了保证电池在充电和放电过程中,电荷保持动态平衡:I正极=I电解液=I隔膜=I电解液=I负极,E正极=E正极集流体=E极耳=E正极柱=E外电路=E负极柱=E负极耳=E负极集流体=E负极。(这三个等式实际上是锂离子动力电池设计的重要原则,但是,在实际设计过程中和实际生产过程中,如何实现上述三个等式,还需要设计一系列的实验来进行验证,建立数学模型或者建立经验公式,然后通过这些模型或者公式来进行锂离子电池的设计)