铁电池（电动汽车的能源工具）

铁电池

电动汽车的能源工具

目前国内外研究的铁电池有高铁和锂铁两种，比亚迪铁电池似为前者，除比亚迪外目前还没有其他厂家宣称其产品可以大规模实用化。高铁电池是以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等），可作为高铁电池的正极材料来制作能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染的新型化学电池铁电池。

历史

早期应用

镍铁电池由爱迪生在1901年发明，当时被用作电动汽车的能源，比如底特律电动车(Detroit Electric）。镍铁电池与镍镉电池相比，最大的优势是价格低廉，但由于这类电池充电效率低，以及后来制氢技术的大发展，镍铁电池技术逐渐衰落。

后期应用

爱迪生在1903到1940年间制造这些电池，为公司带来了可观的利润。使爱迪生失望的是，没有人接受用他的电池来启动内燃机，而上述的电动汽车在引进这些电池的几年后就停产了。最后，这种电池只是在铁路信号发送及备用电源方面得到广泛的应用。

性能及寿命

磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。就铁电池而言，它可以分为高铁电池和锂铁电池，今天我们以型号为STL18650的锂铁电池为例，来具体说明一下锂铁的电池的放电特性及寿命。

STL18650的锂铁电池（容量为1100mAh）在不同的放电率时其放电特性如图2所示。最小的放电率为0.5C，最大的放电率为10C，五种不同的放电率形成一组放电曲线。由图1中可看出，不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳，基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲（放电量达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。

容量为1000mAh的STL18650在不同的温度条件下（从-20～+40℃）的放电曲线如图2所示。如果在23℃时放电容量为100%，则在0℃时的放电容量降为78%，而在-20℃时降到65%，在+40℃放电时其放电容量略大于100%。STL18650锂铁电池可以在-20℃下工作，但输出能量要降低35%左右。

STL18650的充放电循环寿命曲线所示。其充放电循环的条件是：以1C充电率充电，以2C放电率放电，历经570次充放电循环。从图3的特性曲线可看出，在经过570次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很高的寿命。

过放电到零电压试验，采用STL18650（1100mAh）的锂铁动力电池做过放电到零电压试验。试验条件：用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充满，然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组：一组存放7天，另一组存放30天；存放到期后再用0.5C充电率充满，然后用1.0C放电。最后比较两种零电压存放期不同的差别。

试验的结果是，零电压存放7天后电池无泄漏，性能良好，容量为100%；存放30天后，无泄漏、性能良好，容量为98%；存放30天后的电池再做3次充放电循环，容量又恢复到100%。这试验说明该电池即使出现过放电（甚至到0V），并存放一定时间，电池也不泄漏、损坏。这是其他种类锂离子电池不具有的特性。

安全问题

单纯的铁电池，安全性相对强一些。但也不如，另一种 形式的 储存电能的装置超级电容器 ，又叫法拉电容。因为，充电电池，是化学电池，充电过程就是一个可逆的过程，都有危险性。

而锂铁电池，因为，有锂离子，电压过高容易产生锂枝晶，也即是生成了单质锂，容易发生短路，造成危险。所以，大家在使用，锂铁电池时候，尤其是充电的时候，要注意安全，不要超过许可电压。锂铁电池的内部构造是橄榄石构造的LiFePO4作为电池的阳极，由铝箔与电池阳极连通，中间是聚合物的隔膜，它把阳极与阴极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳(石墨)构成的电池阴极，由铜箔与电池的阴极连通。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。外部可加装电池夹。

体系

水溶液体系

高铁电池的正极材料为高铁酸盐，而高铁酸盐的可溶性比较差，即使在在中性及至弱碱性水溶液中也很不稳定。因此，以高铁酸盐为正极材料的化学电源的水溶液体系只能是浓的强碱水溶液。在碱性水溶液中，可作为电池负极的材料也很多，包括锌、铝、铁、镉和镁等。

非水体系

高铁酸盐在一些非水性有机介质如乙腈、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、乙二醇二甲醚（DEM）和四氢呋喃（THF）中也非常稳定，而且几乎是不溶的。这使得高铁酸盐可以作为非水性电解液电池的正极材料。目前非水电解液中使用的负极材料主要是锂。锂金属由于其密度小、电位高、电化学容量大、导电性好，使得锂电池具有高电压、高比能量的特点，在医药、军事、航海和电子等领域得到广泛应用。

优点

铁电池听起来科技含量不是很高，但它却代表了全球新能源汽车畛域储能技术的先进水平，其在“高安谦”、“低成本”、“绿色环保”、“制造工艺”、“续航里程”等五个指标上都取得了突破。

高能高容量。目前市场上的民用电池比功率只有60-135w/kg,而高铁电池可以达到1000w/kg以上，放电电流是普通电池的3－10倍。特别适合需要大功率、大电流的场合。高铁电池性价比高。碱锰电池不能满足目前需大电流大容量用电的数码相机、摄影机等电子产品的需要，锂离子电池因成本在此方面不具很强的竞争力。

高铁电池放电曲线平坦。如Zn-K2FeO4，70%以上的放电时间在1.2-1.5V。

原料丰富。地壳中最为丰富的元素为铝和铁，铁在地壳中的含量为4.75%,锰的含量为0.088%。同时每mol+6价铁能产生3mol电子，而每mol+4价锰仅能产生1mol电子，铁的用量在自身非常丰富的情况下，仅是锰的1/3，大大节约了社会资源，降低了原料的成本。市面上MnO2大约9000元每吨，Fe(NO3)3大约7500元/每吨。

电池安谦方面，F3DM低碳版双模电动车搭载弟碟电池经过高温、高压、撞击等试验测试，拥有良好的安谦性能。铁电池不会对环境造成任何危害，其含有的所有化学物质均可在自然界中被环境以无害的方式分解吸收。

绿色环保方面，铁电池在生产和使用过程环保无污染，旧电池原材料可以回收再利用。

电池成本方面，铁原料资源丰富，价格低廉。铁电池循环2000次后容量还有80%以上，实际可使用4000次。

前景

铁电池是在锂电池基础上的优化、更新。从成本上讲，铁比锂更低。而且，铁是地球上含量第二丰富的金属元素，到处可以取得，所以具有先天的优势。相对比原来的锂电池造价更低的成本优势，由于铁电池的定价跟原材料选用有直接关系，因而造价自然会低很多。

锂铁电池具有众多的优点，从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。磷酸铁锂电池的优点在于，安全、价格便宜、环保。

首先，磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。它和其他磷酸盐的安全性能也基本一样，用磷酸铁锂做电池，不用担心爆炸问题。其次，稳定性高，高温充电的容量稳定性好，储存性能好。这点是最大的优点，在所有知道的材料中也是最好的。此外，整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。并且磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜。

研发现状

根据锂铁电池的众多优点，并且伴随着磷酸铁锂做电池技术的成熟，该技术正在被企业推向市场。2007年3月，北京大学与北大先行科技产业有限公司联合申报的“磷酸铁锂产业化技术”经北京市政府批准进入“北京新材料工程中心”首批入选项目。10月25日，北京赵凤桐副市长亲自为“磷酸铁锂产业化基地”授牌。项目由政府资助金额180万元，将形成具自主知识产权的“能量型”和“功率型”两大产品规格系列及300吨/年的生产线，建设周期为2007年1月至2008年12月。

天津斯特兰能源科技有限公司是目前国际上少数几家专业生产磷酸盐系列锂电正极材料的公司之一。该公司年产量达到500吨，并计划在未来两年内达到年产2000吨的规模。

事实上，几年前美国Valence(威能)公司和A123(高博)公司，就已在国内(江苏)有材料生产企业生产磷酸铁锂正极材料，然后采用委托其他电池公司代工生产电池出口。

国内目前已经有很多公司在做测试、研究。北京中辉振宇科技有限责任公司，山西力之源电池材料有限公司、东莞市杉杉电池材料有限公司都在尝试批量生产。

而高铁电池作为电池中的一种新兴技术，目前在国内还没有太多的研发，只有比亚迪一家说是在新车型F3DM上使用了高铁电池。但是，作为能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染的新型化学电池，将来一定会有更好的应用前景。

应用前景

铁电池是在锂电池基础上的优化、更新。从成本上讲，铁比锂更低。而且，地球上金属类含量最高的就是铁，到处可以取得，所以具有先天的优势。相对比原来的锂电池造价更低的成本优势，由于铁电池的定价跟原材料选用有直接关系，因而造价自然会低很多。

锂铁电池具有众多的优点，从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入、脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。磷酸铁锂电池的优点在于，安全、价格便宜、环保。

首先，磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。它和其他磷酸盐的安全性能也基本一样，用磷酸铁锂做电池，不用担心爆炸问题。其次，稳定性高，高温充电的容量稳定性好，储存性能好。这点是最大的优点，在所有知道的材料中也是最好的。此外，整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。并且磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜。

虽然要想完全市场化仍存在一些现实问题，如政府的支持力度、消费者的认同、充电设备的建设等，但是随着技术的成熟，锂铁电池将会有更好的发展。在国外，有很多生产厂家都在研究动力电池，而在国内，虽然目前只有比亚迪一家成功推出了“铁电池”概念，并应用在了其生产的F3DM车型上，但这毕竟是大胆地尝试了将技术转化为产品，这种商业化运作模式为其他致力于生产电动汽车及混合动力汽车的企业带来了很大的启示，也为电池制造企业指了条明路。相信，随着燃料电池技术在汽车上的应用的不断成熟，“铁电池”技术将会拥有更大的用武之地。

参考资料

1.磷酸铁锂电池优缺点介绍·电动邦

2.锂铁电池的原理及其特点是什么？·上电机设备网