磷酸鐵鋰離子電池結(jié)構(gòu)與工作原理

磷酸鐵鋰離子電池左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4材料構(gòu)成的正極，由鋁箔與電池正極連接。右邊是由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開(kāi)，鋰離子可以通過(guò)隔膜而電子不能通過(guò)隔膜。電池內(nèi)部充有電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰離子電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子通過(guò)隔膜向正極遷移。上邊是橄欖石（olivine）結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔（aluminiumfoil）與電池正極連接，左邊是聚合物（polymer）的隔膜（diaphragm），它把正極與負(fù)極隔開(kāi)，但鋰離子Li可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，右邊是由碳（carbon）（石墨graphite）組成的電池負(fù)極，由銅箔（copperfoil）與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)（electrolyte），電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子Li通過(guò)隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的。

電池充電時(shí)，Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場(chǎng)力的用途下，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵，其晶格結(jié)構(gòu)變化如上圖-2。

電池放電時(shí)，Li從石墨晶體中脫嵌出來(lái)，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時(shí)，電池經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。

從磷酸鐵鋰離子電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰離子電池的充放電過(guò)程要鋰離子和電子的共同參與，而且鋰離子的遷移速度與電子的遷移速度要達(dá)至平衡。這就要求鋰離子電池的正負(fù)電極必須是離子和電子的混合導(dǎo)體，而且其離子導(dǎo)電能力和電子導(dǎo)電能力必須一致。但是眾所周知，磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能很差。而石墨負(fù)極的導(dǎo)電性雖然要好一些，但是要實(shí)現(xiàn)大倍率放電時(shí)，仍然要改善負(fù)極的導(dǎo)電性，使其的電子導(dǎo)電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達(dá)至平衡。