磷酸铁锂电池性能与应用研究

张 嵩，丁广乾，胡铁军，高洪雨

（国家电网技术学院泰山校区，山东 泰安 271000）

0 引言

自爱迪生首次提出锂离子电池系统以来，锂离子电池技术的先进性和广泛应用，已激发全球范围内的研发热潮[1-2]。锂离子电池作为一种高性能的二次绿色电池，具有工作电压高、能量密度大、自放电率小、无记忆效应、体积小等优点。目前研究的正极材料有 LiCoO2、LiNiO2以及 LMin2O4等，但由于钴有毒且资源有限，镍酸锂制备困难，锰酸锂的循环性能和高温性能差等因素，制约了它们的应用和发展。1997年美国德克萨斯州立大学GOODENOUGH等报道了磷酸铁锂的可逆嵌脱锂特性后，该材料得到了极大重视，广泛研究和迅速的发展[3]。与上述传统的锂电池相比，磷酸铁锂电池因具有原料来源广泛、成本低、循环寿命长、安全性能好等突出优点而得到广泛应用。

1 磷酸铁锂电池的特性

1.1 电池结构特点

图1 磷酸铁锂电池结构图

磷酸铁锂电池的结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4材料构成的正极，由铝箔与电池正极连接。右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。电池内部充有电解质，电池由金属外壳密闭封装。

1.2 电池充放电原理

磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。

电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳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。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁。

电池放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电子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。锂离子嵌入到磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂。

2 磷酸铁锂电池储能系统

磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、绿色环保等一系列独特优点，并且支持无级扩展，组成储能系统后可进行大规模电能储存。

磷酸铁锂电池储能系统由磷酸铁锂电池组、电池管理系统（Battery Management System，BMS）、换流装置（整流器、逆变器）、中央监控系统、变压器等组成，如图2所示。

磷酸铁锂电池储能系统能量转换原理。充电阶段，间歇式电源或电网为储能系统进行充电，交流电经过整流器后整流为直流电向储能电池模块进行充电，储存能量；放电阶段，储能系统向电网或负载进行放电，储能电池模块的直流电经过逆变器逆变为交流电，通过中央监控系统控制逆变输出，可实现向电网或负载提供稳定功率输出。

图2 磷酸铁锂电池储能系统组成

3 磷酸铁锂电池应用

磷酸铁锂电池是各种先进二次电池中产业链发展最为成熟的一种，也是最具有潜力的一种先进储能电池。磷酸铁锂电池的应用主要是移动应用和固定应用，移动应用主要用于电动交通工具和便携式电动工具，固定应用主要用于可再生能源发电安全并网，电网调峰，分布式电站和UPS电源等领域。

3.1 移动应用方面

目前汽车尾气排放污染已经成为城市中的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为了人们的共识。我国《节能与新能源汽车产业发展规划》（征求意见稿）中提到“我国新能源汽车发展的总体目标是：到2020年，新能源汽车累计产销量达到500万辆，中/重度混合动力乘用车占乘用车年产销量的50%以上，我国节能与新能源汽车产业规模位居世界前列”。我国的电动汽车科技发展“十二五”专项规划中指出将推动以锂离子动力电池为重点的车用动力电池产业发展，使其具有国际竞争力[4]。磷酸铁锂电池具有体积小、重量轻、循环寿命长等优点，可以作为电动汽车、电动船舶等电动交通工具的理想供电电源。随着磷酸铁锂电池的不断推广应用，成本不断降低，性能不断提高，磷酸铁锂电池在便携式电动工具供电方面也将得到了广泛应用。

3.2 固定应用方面

磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优点，并且支持无级扩展，适合于大规模电能储存，在可再生能源发电安全并网、电网调峰、分布式电站、UPS电源等领域有着良好的应用前景。

1）风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网。风力发电自身所固有的随机性、间歇性和波动性等特征，决定了其规模化发展必然会对电力系统安全运行带来显著影响[5-7]。随着风电产业的快速发展，特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”，大型风力发电场并网发电对大电网的运行和控制提出了严峻挑战。光伏发电受环境温度、太阳光照强度和天气条件的影响，光伏发电呈现随机波动的特点[8-9]。目前我国呈现出“分散开发，低电压就地接入”和“大规模开发，中高电压接入”并举的发展态势，这就对电网调峰和电力系统安全运行提出了更高要求。因此，大容量储能产品成为解决电网与可再生能源发电之间矛盾的关键因素。磷酸铁锂电池储能系统具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、可扩展性强等特点，在国家风光储输示范工程中开展了工程应用，将有效提高设备效率，解决局部电压控制问题，提高可再生能源发电的可靠性和改善电能质量，使可再生能源成为连续、稳定的供电电源。随着容量和规模的不断扩大，集成技术的不断成熟，储能系统成本将进一步降低，经过安全性和可靠性的长期测试，磷酸铁锂电池储能系统有望在风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网及提高电能质量方面得到广泛应用。

2）电网调峰。电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。采用磷酸铁锂电池储能系统取代抽水蓄能电站，应对电网尖峰负荷，不受地理条件限制，选址自由，投资少、占地少，维护成本低，在电网调峰过程中将发挥重要作用。

3）分布式电站。大型电网自身的缺陷，难以保障电力供应的质量、效率、安全可靠性要求[10]。对于重要单位和企业，往往需要双电源甚至多电源作为备份和保障。磷酸铁锂电池储能系统可以减少或避免由于电网故障和各种意外事件造成的断电，在保证医院、银行、指挥控制中心、数据处理中心、化学材料工业和精密制造工业等安全可靠供电方面发挥重要作用。

4）UPS电源。中国经济的持续高速发展带来的UPS电源用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS电源产生了持续的需求[11-12]。磷酸铁锂电池相对于铅酸电池，具有循环寿命长、安全稳定、绿色环保、自放电率小等优点，随着集成技术的不断成熟，成本的不断降低，磷酸铁锂电池在UPS电源蓄电池方面将得到广泛应用。

4 结语

磷酸铁锂电池是各种先进二次电池中产业发展最成熟也是最具潜力的一种先进的储能电池。随着制造技术的日益成熟，成本不断降低，性能不断提高，磷酸铁锂电池将大大推动我国新能源汽车的发展。随着磷酸铁锂电池储能系统规模化，其自身具有的工况转换快，运行方式灵活，循环寿命长，低维护成本低等特性，在实现电网削峰，提高系统运行稳定性和提高电能质量等方面有着广泛的应用前景。