磷酸鐵锂電池缺点有哪些?
一種材料是否具有應用發展潛力,除了關注其優點外,更爲關鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷,那麽磷酸鐵锂電池缺點有哪些呢?
國內現在普遍選擇磷酸鐵锂作爲動力型锂離子電池的正極材料,從政府、科研機構、企業甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料,將其作爲動力型锂離子電池的發展方向。分析其原因,主要有下列兩點:首先是受到美國研發方向的影響,美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵锂做锂離子電池的正極材料。其次是國內一直沒有制備出可供動力型锂離子電池使用的具有良好高溫循環與儲存性能的錳酸锂材料。但磷酸鐵锂也存在不容忽視的根本性缺陷,歸結起來主要有以下幾點:
1、導電性差:目前在實際生産過程中通過在前驅體添加有機碳源和高價金屬離子聯合摻雜的辦法來改善材料的導電性(A123、煙台卓能正采用這種方法),研究表明,磷酸鐵锂的電導率提高了7個數量級,使磷酸鐵锂具備了和鑽酸锂相近的電導特性。
2.锂離子擴散速度慢。目前采取的解決方案主要有納米化LiFePO晶粒,從而減少锂離子在晶粒中的擴散距離,再者就是摻雜改善锂離子的擴散通道,後一種方法看起來效果並不明顯。納米化已經有較多的研究,但是難以應用到實際的工業生産中,目前只有A123宣稱掌握了LiFePO的納米化産業技術。
2、在磷酸鐵锂制備時的燒結過程中,氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質鐵的可能性。單質鐵會引起電池的微短路,是電池中最忌諱的物質。這也是日本一直不將該材料作爲動力型锂離子電池正極材料的主要原因。
3、磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷,如振实密度与压实密度很低,导致锂离子电池的能量密度较低。低温性能较差,即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。美国阿贡国家实验室储能系统中心主任DonHillebrand博士谈到磷酸锂铁电池低温性能的时候,他用terrible来形容,他们对磷酸铁锂型锂离子电池测试结果表明表明磷酸鐵锂電池在低温下(0℃以下)无法使电动汽车行驶。尽管也有厂家宣称磷酸锂铁电池在低温下容量保持率还不错,但是那是在放电电流较小和放电截止电压很低的情况下。在这种状况下,设备根本就无法启动工作。
4、材料的制備成本與電池的制造成本較高,電池成品率低,一致性差。磷酸鐵锂的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學性能,但是也帶來了其它問題,如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵锂中的化學元素Li、Fe與P很豐富,成本也較低,但是制備出的磷酸鐵锂産品成本並不低,即使去掉前期的研發成本,該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本,會使得最終單位儲能電量的成本較高。
5、産品一致性差。目前國內還沒有一家磷酸鐵锂材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說,磷酸鐵锂的合成反應是一個複雜的多相反應,有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及锂鹽,外加碳的前驅體以及還原性氣相。在這一複雜的反應過程中,很難保證反應的一致性。
6、知識産權問題。目前磷酸鐵锂的基礎專利被美國德州大學所有,而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎性專利是無法繞過去的,如果成本中計算上專利使用費的話,那産品成本將會進一步提高。
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