自鋰離子電池問世以來，圍繞它的研究、開發(fā)工作一直不斷地進(jìn)行著，上世紀(jì)90年代末又開發(fā)出鋰聚合物電池，2002年后則推出磷酸鐵鋰動力電池。

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采用氧化錳鋰（LiMn2O4）及氧化鎳鋰（LiNiO2）作正極材料的鋰離子電池，一般將后兩種正極材料的鋰離子電池稱為”鋰錳電池”及”鋰鎳電池”。新開發(fā)的磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰（LiFepO4）材料作電池正極的鋰離子電池，它是鋰離子電池家族的新成員。

LiFepO4是一種鋰離子電池正極材料。LiFepO4在自然界是以磷鐵鋰礦形式存在的，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、資源豐富、安全性能好、無毒。與傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料LiMn2O4和LiCoO2相比，LiFepO4原料來源更廣泛、價格更低廉且無環(huán)境污染。環(huán)境友好、熱穩(wěn)定性好、是下一代鋰離子蓄電池正極最有競爭力的材料之一。LiFepO4材料雖然具有許多優(yōu)良的電化學(xué)性能，但是還存在擴(kuò)散系數(shù)小等方面的問題。因而國內(nèi)外學(xué)者在提高LiFepO4的導(dǎo)電能力方面競相展開了研究。

一般鋰離子電池的電解質(zhì)是液體的，后來開發(fā)出固態(tài)及凝膠型聚合物電解質(zhì)，則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池，其性能優(yōu)于液體電解質(zhì)的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入”動力”兩字，即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為”鋰鐵（LiFe）動力電池”。

LiFepO4電池中某電極的工作原理如圖：

（1）放電時，該裝置是原電池，F(xiàn)e元素化合價由+3價變?yōu)?2價，得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以該電極是正極，電極反應(yīng)式為FepO4+e-+Li+=LiFepO4，

（2）電解含有0.01molCuSO4和0.01molNaCl的混合溶液100mL，電路中轉(zhuǎn)移了0.02mole-，

陽極：2Cl--2e-=Cl2↑，

0.01mol0.01mol0.005mol

4OH--4e-=2H2O+O2↑，

0.01mol0.01mol0.0025mol

陰極：Cu2++2e-=Cu

0.01mol0.02mol

所以陽極上生成的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積=（0.005mol+0.0025mol）&TImes;22.4L/mol=0.168L；

（3）鐵做陽極，碳做陰極電解飽和食鹽水，陽極Fe失電子生成亞鐵離子，則陽極的電極方程式為Fe-2e-=Fe2+，陰極氫離子得電子生成氫氣，則陰極的電極方程式為：2H++2e-=H2↑；溶液中生成Fe2+、H2、和OH-，則電解的總方程式為：Fe+2H2O通電/.Fe（OH）2↓+H2↑；

FepO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖下圖所示

LiFepO4電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

LiFepO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFepO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，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。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

磷酸鐵鋰電池工作原理

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，但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過，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，正極中的鋰離子Li通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

1、電池充電時，Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，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，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。

2、電池放電時，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，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，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。

從磷酸鐵鋰電池的工作原理可知，磷酸鐵鋰電池的充放電過程需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，但是要實現(xiàn)大倍率放電時，仍然需要改善負(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。