磷酸鐵鋰電池性能與應用研究

張 嵩，丁廣乾，胡鐵軍，高洪雨

（國家電網技術學院泰山校區，山東 泰安 271000）

0 引言

自愛迪生首次提出鋰離子電池系統以來，鋰離子電池技術的先進性和廣泛應用，已激發全球范圍內的研發熱潮[1-2]。鋰離子電池作為一種高性能的二次綠色電池，具有工作電壓高、能量密度大、自放電率小、無記憶效應、體積小等優點。目前研究的正極材料有 LiCoO2、LiNiO2以及 LMin2O4等，但由于鈷有毒且資源有限，鎳酸鋰制備困難，錳酸鋰的循環性能和高溫性能差等因素，制約了它們的應用和發展。1997年美國德克薩斯州立大學GOODENOUGH等報道了磷酸鐵鋰的可逆嵌脫鋰特性后，該材料得到了極大重視，廣泛研究和迅速的發展[3]。與上述傳統的鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池因具有原料來源廣泛、成本低、循環壽命長、安全性能好等突出優點而得到廣泛應用。

1 磷酸鐵鋰電池的特性

1.1 電池結構特點

圖1 磷酸鐵鋰電池結構圖

磷酸鐵鋰電池的結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極，由鋁箔與電池正極連接。右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

1.2 電池充放電原理

磷酸鐵鋰電池的充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。

電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然后穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨晶格中。與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，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。

電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，然后穿過隔膜，經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時，電子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。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體后，磷酸鐵轉化為磷酸鐵鋰。

2 磷酸鐵鋰電池儲能系統

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、綠色環保等一系列獨特優點，并且支持無級擴展，組成儲能系統后可進行大規模電能儲存。

磷酸鐵鋰電池儲能系統由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統（Battery Management System，BMS）、換流裝置（整流器、逆變器）、中央監控系統、變壓器等組成，如圖2所示。

磷酸鐵鋰電池儲能系統能量轉換原理。充電階段，間歇式電源或電網為儲能系統進行充電，交流電經過整流器后整流為直流電向儲能電池模塊進行充電，儲存能量；放電階段，儲能系統向電網或負載進行放電，儲能電池模塊的直流電經過逆變器逆變為交流電，通過中央監控系統控制逆變輸出，可實現向電網或負載提供穩定功率輸出。

圖2 磷酸鐵鋰電池儲能系統組成

3 磷酸鐵鋰電池應用

磷酸鐵鋰電池是各種先進二次電池中產業鏈發展最為成熟的一種，也是最具有潛力的一種先進儲能電池。磷酸鐵鋰電池的應用主要是移動應用和固定應用，移動應用主要用于電動交通工具和便攜式電動工具，固定應用主要用于可再生能源發電安全并網，電網調峰，分布式電站和UPS電源等領域。

3.1 移動應用方面

目前汽車尾氣排放污染已經成為城市中的頭號污染源。大力發展節能、環保的電動汽車替代傳統燃油汽車，已成為了人們的共識。我國《節能與新能源汽車產業發展規劃》（征求意見稿）中提到“我國新能源汽車發展的總體目標是：到2020年，新能源汽車累計產銷量達到500萬輛，中/重度混合動力乘用車占乘用車年產銷量的50%以上，我國節能與新能源汽車產業規模位居世界前列”。我國的電動汽車科技發展“十二五”專項規劃中指出將推動以鋰離子動力電池為重點的車用動力電池產業發展，使其具有國際競爭力[4]。磷酸鐵鋰電池具有體積小、重量輕、循環壽命長等優點，可以作為電動汽車、電動船舶等電動交通工具的理想供電電源。隨著磷酸鐵鋰電池的不斷推廣應用，成本不斷降低，性能不斷提高，磷酸鐵鋰電池在便攜式電動工具供電方面也將得到了廣泛應用。

3.2 固定應用方面

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應、綠色環保等一系列獨特優點，并且支持無級擴展，適合于大規模電能儲存，在可再生能源發電安全并網、電網調峰、分布式電站、UPS電源等領域有著良好的應用前景。

1）風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全并網。風力發電自身所固有的隨機性、間歇性和波動性等特征，決定了其規模化發展必然會對電力系統安全運行帶來顯著影響[5-7]。隨著風電產業的快速發展，特別是我國的多數風電場屬于“大規模集中開發、遠距離輸送”，大型風力發電場并網發電對大電網的運行和控制提出了嚴峻挑戰。光伏發電受環境溫度、太陽光照強度和天氣條件的影響，光伏發電呈現隨機波動的特點[8-9]。目前我國呈現出“分散開發，低電壓就地接入”和“大規模開發，中高電壓接入”并舉的發展態勢，這就對電網調峰和電力系統安全運行提出了更高要求。因此，大容量儲能產品成為解決電網與可再生能源發電之間矛盾的關鍵因素。磷酸鐵鋰電池儲能系統具有工況轉換快、運行方式靈活、效率高、安全環保、可擴展性強等特點，在國家風光儲輸示范工程中開展了工程應用，將有效提高設備效率，解決局部電壓控制問題，提高可再生能源發電的可靠性和改善電能質量，使可再生能源成為連續、穩定的供電電源。隨著容量和規模的不斷擴大，集成技術的不斷成熟，儲能系統成本將進一步降低，經過安全性和可靠性的長期測試，磷酸鐵鋰電池儲能系統有望在風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全并網及提高電能質量方面得到廣泛應用。

2）電網調峰。電網調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，維護成本高。采用磷酸鐵鋰電池儲能系統取代抽水蓄能電站，應對電網尖峰負荷，不受地理條件限制，選址自由，投資少、占地少，維護成本低，在電網調峰過程中將發揮重要作用。

3）分布式電站。大型電網自身的缺陷，難以保障電力供應的質量、效率、安全可靠性要求[10]。對于重要單位和企業，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。磷酸鐵鋰電池儲能系統可以減少或避免由于電網故障和各種意外事件造成的斷電，在保證醫院、銀行、指揮控制中心、數據處理中心、化學材料工業和精密制造工業等安全可靠供電方面發揮重要作用。

4）UPS電源。中國經濟的持續高速發展帶來的UPS電源用戶需求分散化，使得更多的行業和更多的企業對UPS電源產生了持續的需求[11-12]。磷酸鐵鋰電池相對于鉛酸電池，具有循環壽命長、安全穩定、綠色環保、自放電率小等優點，隨著集成技術的不斷成熟，成本的不斷降低，磷酸鐵鋰電池在UPS電源蓄電池方面將得到廣泛應用。

4 結語

磷酸鐵鋰電池是各種先進二次電池中產業發展最成熟也是最具潛力的一種先進的儲能電池。隨著制造技術的日益成熟，成本不斷降低，性能不斷提高，磷酸鐵鋰電池將大大推動我國新能源汽車的發展。隨著磷酸鐵鋰電池儲能系統規模化，其自身具有的工況轉換快，運行方式靈活，循環壽命長，低維護成本低等特性，在實現電網削峰，提高系統運行穩定性和提高電能質量等方面有著廣泛的應用前景。