磷酸鐵鋰離子電池結構與工作原理

磷酸鐵鋰離子電池左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極，由鋁箔與電池正極連接。右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰離子電池在充電時，正極中的鋰離子通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中，負極中的鋰離子通過隔膜向正極遷移。上邊是橄欖石（olivine）結構的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）組成的電池負極，由銅箔（copperfoil）與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質（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極遷移;在放電過程中，負極中的鋰離子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。

電池充電時，Li從磷酸鐵鋰晶體的010面遷移到晶體表面，在電場力的用途下，進入電解液，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)導電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體，再經(jīng)導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵，其晶格結構變化如上圖-2。

電池放電時，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，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。與此同時，電池經(jīng)導電體流向負極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負極柱、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)導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。

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至平衡。這就要求鋰離子電池的正負電極必須是離子和電子的混合導體，而且其離子導電能力和電子導電能力必須一致。但是眾所周知，磷酸鐵鋰的導電性能很差。而石墨負極的導電性雖然要好一些，但是要實現(xiàn)大倍率放電時，仍然要改善負極的導電性，使其的電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力達至平衡。