磷酸铁锂电池特性概要

磷酸铁锂电池特性

磷酸铁锂电池因其具有较高的安全性能和循环寿命长的优点，而被广泛应用于汽车及储能行业。

但众所周期，相比与三元电池，磷酸铁锂电池的特性有着显著的区别，本文将从磷酸铁锂电池的电压特性、充放电过程、滞回特性、OCV曲线、温度对OCV的影响等方面，进行分析。

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1）电压特性

标称电压：3.2V（均衡时用到）

充电截止电压：通常3.6-3.8V

放电截止电压：通常2.0-2.5V

2）充放电过程

磷酸铁锂电池以LiFePO₄为正极材料，与铝箔相连，而石墨通常为负极与铜箔相连。中间是聚合物的隔膜，它将正极与负极隔开，锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。其充放电过程为锂离子的嵌入、脱出反应。

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在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子Li+，进入电解液，通过隔膜，嵌入石墨晶体，同时形成FePO4，而电子e-经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、外电路、流向电池负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。在放电过程中，锂离子从石墨中脱嵌出，嵌入FePO4形成LiFePO4，电子从外电路回到正极的铝箔集流体，使正极的电荷达至平衡。

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3）滞回特性

滞回特性是指相同电量下，电池充电和放电时电压不一致的现象。

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相比于三元电池，磷酸铁锂离子电池存在显著的滞回特性。这是由于：

1、晶体形变耗能： 锂离子嵌入脱出时的能量状态不同。充电时锂离子从正极脱出，晶格结构抵抗变形会产生内应力，因此需要克服更高的能量势垒，导致电压升高。而放电时嵌入则相对容易，这种不对称性导致充放电曲线电压存在差异。说白了，就像弹簧压缩和释放时的力道不一样。

2、两相转换阻力：LiFePO₄和FePO₄是两种不同的晶体结构，转换时需要打破旧键形成新键，这个重组过程消耗能量，放电时反向转换电压略低。

3、浓度差影响： 充电时电极表面锂离子浓度低，放电时浓度高，导致电压需求不同。

4、SEI膜阻碍： 负极表面的固态电解质膜对锂离子的阻碍作用在充放电中不对称。

而这些因素共同导致充电电压比放电电压高50-150mV。

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4）OCV曲线

开路电压(Open Circuit Voltage, OCV)是指在静置状态下的开路电压随电量变化的曲线。

相比于三元电池，磷酸铁锂的充放电OCV曲线具有超长平台区。原因在于，磷酸铁锂电池在电压达到3.2V时发生相变（从LiFePO₄变为FePO₄，或者从FePO₄变为LiFePO₄，正极材料在两相转变过程中保持电压稳定），导致电压变化平缓。

而磷酸铁锂电池在充电时3.2V以下不形成平台期，主要是因为充电初期锂离子从正极脱嵌的过程比较活跃。充电初期电压会快速上升，但随着充电进行，锂离子浓度增加，电化学反应速度减慢，电压上升趋缓，最终在3.2V附近形成平台期。说白了，3.2V以下属于快速充电阶段，电压变化比较明显。

而90%SOC以上充电时磷酸铁锂电池电压会快速上升，这是因为正极材料中的锂离子接近饱和状态。充电末期锂离子嵌入阻力增大，导致电压陡升，无法形成平坦的电压平台。

而放电过程中3.2V以下不形成平台期，主要是因为磷酸铁锂负极的锂离子浓度已大幅降低。放电末期锂离子从负极脱嵌的阻力增大，导致电压快速下降，无法维持平坦曲线。说白了，这时候电池快没电了，电压会掉得比较快。

而放电过程90%以上不形成平台期，主要是因为磷酸铁锂电池的放电初期锂离子浓度较高。放电开始时电压会快速下降至3.2V左右，之后才会进入稳定的平台期。说白了，初期电压变化大是正常现象。

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5）温度对于电池OCV的影响

温度对磷酸铁锂电池的OCV特性有明显影响。低温环境下，充放电OCV会降低。

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