為了解決以上問題，目前世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車是發(fā)展的重中之重，然而動(dòng)力電池技術(shù)卻是制約其發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。本文選卻了當(dāng)前應(yīng)用范圍非常廣泛的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，由于磷酸鐵鋰電池具有非線性、離散性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，通過對(duì)磷酸鐵鋰蓄電池的研究，揭示其結(jié)構(gòu)和原理，并對(duì)電池的相關(guān)核心理論展開分析。為我國純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的研究提供相應(yīng)的理論支撐，增加動(dòng)力電池的容量、延遲動(dòng)力電池使用壽命，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的這重要的意義。
1 磷酸鐵鋰電池的原理
1.1 電池的結(jié)構(gòu)
LiFePO4以磷鐵鋰礦的形式存于自然界，它的結(jié)構(gòu)為有序的橄欖石型。
LiFePO4單格電池的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。電池的中間是聚合物的隔膜，主要作用是在反應(yīng)過程中讓Li+可以通過隔膜而阻止電子e的通過。電池的右邊是由石墨組成的電池負(fù)極，通過銅箔與電池負(fù)極相連。左邊是由LiFePO4組成的電池正極，通過鋁箔與電池正極相連。整個(gè)電池由外殼密封包裹起來，內(nèi)部充有電解質(zhì)溶液，如圖1所示。
1.2 電池的工作原理
磷酸鐵鋰電池的工作過程不同于其它材料電池，反應(yīng)時(shí)非鉛酸蓄電池單一化學(xué)方程式的可逆反應(yīng)，而是正負(fù)極的反應(yīng)兩相進(jìn)行。在充放電的過程中，磷酸鐵鋰電池正極的離子、電子得失如下：
充電：
充電時(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，同時(shí)電子從外電路由正極向負(fù)極移動(dòng)，以保證正負(fù)極的電荷平衡，而放電時(shí)，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。這樣的結(jié)構(gòu)使得磷酸鐵鋰蓄電池具有了較好的電壓平臺(tái)和較長的使用壽命。因此，磷酸鐵鋰電池在充放電過程中表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有較長的循環(huán)壽命。
1.3 電池的充電過程分析
磷酸鐵鋰電池在充電過程中，電壓會(huì)隨時(shí)間不斷地變化。以恒流法對(duì)電池進(jìn)行充電，其端電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律即為充電電壓特性曲線，如圖2所示。
整個(gè)充電過程可以分為三個(gè)階段：
（1）高效階段：在此階段，電池兩極的活性物質(zhì)反應(yīng)激烈，充電率高，接近100%。
（2）混合階段：在此階段，充電主反應(yīng)和副反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，充電率逐步降低。當(dāng)兩極反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，電池趨于充滿。
（3）析氣階段：此時(shí)電池已充滿，剩下的只有副反應(yīng)和自放電反應(yīng)。
1.4 電池的極化現(xiàn)象
磷酸鐵鋰電池處于開路狀態(tài)時(shí)，電池的電極位于平衡狀態(tài)，電池兩端的電動(dòng)勢(shì)稱為平衡電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電池充放電時(shí)，由于電流的經(jīng)過，導(dǎo)致電池的電動(dòng)勢(shì)偏離平衡值，這種現(xiàn)象稱之為極化（Polarization），有時(shí)也被稱為過電勢(shì)（Over potential）或者過電壓（Over voltage）。所有蓄電池皆存在極化現(xiàn)象。
極化現(xiàn)象會(huì)對(duì)電池的充電造成嚴(yán)重的危害，其主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
（1）極化產(chǎn)生的過電勢(shì)會(huì)妨礙充電電流增加，減緩電化學(xué)反應(yīng)速度，延長充電時(shí)間，降低充電效率。
（2）極化會(huì)使電池電解液分解，生產(chǎn)大量氣體，這些氣體不僅會(huì)延緩電池的充電速度，還會(huì)對(duì)極板造成嚴(yán)重的腐蝕作用。
（3）電解液分解會(huì)產(chǎn)生熱量，使電池溫度升高。當(dāng)溫度升高到某一程度，會(huì)導(dǎo)致極板受熱變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨ā?/span>
2 磷酸鐵鋰電池的主要性能
磷酸鐵鋰電池的基本性能，主要包括電池容量、內(nèi)阻、SOC、OCV等，以及這些參數(shù)在不同環(huán)境溫度下的變化規(guī)律。
2.1 電池的容量特性
磷酸鐵鋰電池的容量是指在一定的放電條件下電池可以輸出的電量，它分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。
（1）理論容量C0
一般理論容量用此公式來計(jì)算：
（3）額定容量Cr
電池在設(shè)計(jì)和制造中，規(guī)定電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。實(shí)際容量總是低于理論容量，所以活性物質(zhì)的利用率為：
2.2 電池的內(nèi)阻
磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻可分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的總內(nèi)阻。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化現(xiàn)象而產(chǎn)生的電阻，包括電化學(xué)極化電阻和濃差極電阻。
電池的內(nèi)阻是表征電池老化程度的重要參數(shù)，一般地，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)阻也會(huì)相應(yīng)增大。
2.3 電池的SOC
荷電狀態(tài)SOC是用來描述電池剩余電量的參數(shù)，其數(shù)值上定義為電池所剩電量與電池總電量的比，即：
2.4 開路電壓OCV
電池的開路電壓（OCV）是指電池?cái)嚯姾箅妷哼_(dá)到的穩(wěn)定值。開路電壓表征了電池在某一荷電狀態(tài)SOC下所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電動(dòng)勢(shì)，是對(duì)電池狀況有著較強(qiáng)描述能力的狀態(tài)量。
磷酸鐵鋰電池開路電壓 OCV 與荷電狀態(tài)SOC的關(guān)系如圖3所示。
磷酸鐵鋰電池曲線在SOC=40%到70%的區(qū)間內(nèi)，電池的OCV變化極小，而在SOC的兩端區(qū)間（尤其是<20%和>80%）的區(qū)間內(nèi)，OCV的變化率較大，整個(gè)磷酸鐵鋰的曲線呈現(xiàn)中間區(qū)域平坦，頭尾兩端陡峭的形態(tài)。
3 磷酸鐵鋰電池性能的影響因素
磷酸鐵鋰電池性能的影響因素主要包括三個(gè)方面，分別是：溫度、放電倍率和充電電壓。
3.1 溫度對(duì)電池性能的影響
鋰離子電池的工作環(huán)境溫度對(duì)電池的性能有著很大的影響。
將充滿電的電池分別置于不同的環(huán)境溫度中放電，討論放出的容量與環(huán)境溫度的關(guān)系。
充電方法為，將電池以1/3C恒流充電至電壓到達(dá)3.65V，改為恒壓充電直至電流下降到1A，停止充電。放電方法為，在環(huán)境溫度中充分靜置，再以1/3C恒流放電直到電壓下降到 2V 為止，計(jì)算放出的容量。將同一型號(hào)的6塊磷酸鐵鋰電池分別置于-40℃、-20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下進(jìn)行充放電過程，電池放出的容量如圖4所示。
由圖可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，電池的容量隨溫度的升高而指數(shù)上升。原因之一是，溫度高時(shí)，電池的各類內(nèi)阻較小，放電過程中其端電壓比低溫下的端電壓更高。因此，在相同的放電截止電壓（如2V）和放電電流下，溫度高時(shí)電池放電持續(xù)時(shí)間更久、容量更大。
3.2 放電倍率對(duì)電池性能的影響
磷酸鐵鋰電池的容量隨放電倍率的增大而減小，一方面是因?yàn)殡姵貎?nèi)阻的存在，當(dāng)電流很大時(shí)，電池發(fā)熱，溫度升高，降低了電池的熱穩(wěn)定性，產(chǎn)生正反饋;另一方面是大電流放電時(shí)，電池的活性物質(zhì)利用率較低，電池的極化內(nèi)阻增大，極化電壓增加，電池電壓提前降低到放電終止電壓，使電池的輸出容量減小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)電池的安全性產(chǎn)生危害。
3.3 充電電壓對(duì)電池性能的影響
充電電壓對(duì)磷酸鐵鋰電池的鋰離子脫嵌過程有著重要的影響。當(dāng)電池的充電電壓過高的時(shí)候，電池會(huì)發(fā)生副反應(yīng)并產(chǎn)生大量的熱，這會(huì)增大電極界面的電阻，降低電池的熱穩(wěn)定性，減少電池的容量。此外，當(dāng)電池的充電電壓大于電池的充電電壓上限時(shí)，電池的正極將會(huì)有過多的鋰離子脫出，破壞正極結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)有過多的鋰離子遷移到電池的負(fù)極，不能嵌入負(fù)極的鋰離子沉積在電極表面，增加了電池短路的可能性，對(duì)電池造成損害。
4 結(jié)論
本文對(duì)磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出如下結(jié)論：
（1）磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，正極為LiFePO4、負(fù)極為石墨，中間位聚合物的隔膜，其反應(yīng)過程為兩相反應(yīng)。并指出了電池的極化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和對(duì)電池充電的影響。
（2）磷酸鐵鋰電池主要性能指標(biāo)做了詳細(xì)研究，主要是蓄電池容量、內(nèi)阻、SOC、OCV等。
（3）詳細(xì)的分析了電池性能的影響因素，主要是溫度、放電倍率和充電電壓等三個(gè)方面。
通過本文的研究分析，對(duì)磷酸鐵鋰電池有了一個(gè)全面的掌握，為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的深入研究做了鋪墊，使開發(fā)性能更優(yōu)良動(dòng)力電池打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。