【原创】浅谈电动自行车用锂离子电池——磷酸铁锂电池

中国粉体网讯  目前市场上电动自行车用锂离子电池主要为锰酸锂电池、三元锂电池以及磷酸铁锂电池，其中磷酸铁锂电池因其安全性能好、电池循环寿命长、耐高温性能好、绿色环保、价格适中等特点，是三种锂离子电池中比较受欢迎的。

1、磷酸铁锂电池的构造

磷酸铁锂电池主要是由正极、负极、隔膜、电解质及金属外壳组成，其中正极材料是磷酸铁锂（LiFePO₄），负极材料是碳（石墨），中间是聚合物的隔膜，内部充有电解质，整体由金属外壳密闭封装。

图1 磷酸铁锂电池内部结构示意图

2、磷酸铁锂电池的工作原理

①充电

正极材料LiFePO₄中的部分Li以Li⁺从晶格中脱出，依次经过电解液、隔膜、电解液之后到达并且嵌入负极材料石墨的层状晶格结构中，完成能量存储。

LiFePO₄ - xLi⁺ - xe^- → xFePO₄ + （1-x）LiFePO₄

②放电

负极材料石墨晶格中的Li以Li⁺自由地从晶格中脱出，依次经过电解液、隔膜、电解液之后到达并且嵌入正极材料中与FePO₄结合形成LiFePO₄，完成能量的释放。

LiFePO₄ + xLi⁺ + xe^- → xLiFePO₄ + （1-x）FePO₄

在这个充放电循环过程中，Li⁺的迁移过程可以理解为“正极-电解液-隔膜-电解液-负极”。

3、磷酸铁锂电池的特点

①结构上

磷酸铁锂具有橄榄石晶体结构，O^2-与P⁵⁺通过强的共价键结合形成（PO4）^3-，充放电过程中O^2-很难脱出，所以电池的结构是相对稳定的。

图2 磷酸铁锂橄榄石结构（图源：[1]）

②性能上

安全性好，充放电过程中，电池结构不会发生变化，磷酸铁锂电池的燃点为800℃，在过充电、外部短路、热滥用、针刺、挤压、振动等条件下不会发生起火、爆炸等现象。

循环寿命长，磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达2000次，甚至达到3500次以上。所谓电池循环次数，简单来讲就是电池放电100%的次数，比如电池在满电的时候用掉一半，充满，再用掉一半，总共使用了100%的电量，算作一次循环。

耐高温性能好，磷酸铁锂电池热峰值可达350~500℃，工作温度范围在-20~+75℃，磷酸铁锂（LiFePO₄）晶体中的P-O键稳固，在高温下难以分解，故电池耐高温性能较好。

4、磷酸铁锂电池在电动自行车领域的应用

自2019年电动自行车新国标实行以来，超标电动车陆续退出市场，新能安、天能、亿纬等蓄电池企业纷纷推出了适用于电动自行车的磷酸铁锂电池，雅迪、台铃、小牛等电动车企业也陆续推出了以磷酸铁锂电池作为动力电池的电动自行车。2022年12月国家标准化管理委员会下达的强制性国家标准《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》的立项计划，能有效预防劣质电池流入市场，也为锂电池类电动自行车用户提供了安全保障，据中国自行车协会初步统计，2022年我国电动自行车销量约为5000万辆，磷酸铁锂电池电动自行车大量流入市场。

5、小结

在选择电动自行车用的蓄电池时，用户一般会从续航能力、安全性、性价比等方面进行对比。电动自行车作为短途代步工具，磷酸铁锂电池续航里程可达100㎞以上，完全可以满足用户的需求；磷酸铁锂电池结构稳定，耐高温性能优越，安全上有保证；电池行业平均成本显示，磷酸铁锂电池为0.6元/Wh，三元锂电池为0.8元/Wh，按1300Wh电池计算，磷酸铁锂电池价格相较于三元锂电池可便宜260元。综合各项数据，磷酸铁锂电池应用在电动自行车动力电池上的技术已相对成熟，在资金预算范围内，可以优先考虑选择磷酸铁锂电池。

参考来源：

[1] Padhi, Nanjundaswamy, Goodenough. Journal of the Electrochemical Society 144, 1188 (1997)

[2]曾帅波等.基于三元、磷酸铁锂和锰酸锂正极的电化学性能比较。

[3]中国自行车协会

（中国粉体网编辑整理/苏简）

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