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标题: 铁电池的奥秘！ [打印本页]
作者: wen    时间: 2009-2-7 00:17
标题: 铁电池的奥秘！
磷酸铁锂电池简介

一、  磷酸铁锂电池定义

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有很多种，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，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。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。

磷酸铁锂由于具有安全性与循环寿命优势、材料成本的诱惑，正在逐步进入锂离子动力电池市场。

二、  磷酸铁锂正极材料

1997年A.K.Padhi首次报导磷酸铁锂（LiFePO4）具有脱嵌锂功能。该材料具有橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料,LiMPO4（M：Mn，Fe，Co，Ni）, 成为很有潜力的锂离子电池正极材料。磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。

该材料具有发上图所示的晶体结构。

工作电压范围：2.5～3.6V，平台约3.3V，比钴酸锂电池3.7V低一些。

由于该材料导电性差，需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率；或掺杂金属离子来提高导电性。这样材料的密度低，做成电池的体积比容量低，只有180Wh/L（钴酸锂可做到400Wh/L以上），在小电池领域，同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。

三、  磷酸铁锂电池及其优缺点

磷酸铁锂的优点：

1、安全。磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。当然它和其它磷酸盐的安全性能也基本一样，用磷酸铁锂做电池，绝对不用担心爆炸问题的存在。
2、稳定性高。包括高温充电的容量稳定性好，储存性能好等。这点是最大的优点，在所有知道的材料中，也是最好的。
3、环保。整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。不像钴是有毒的物质。
4、价格便宜。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，无战略资源及稀有资源。

磷酸铁锂的缺点：

1、导电性差。这个问题是其最关键的问题。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。但是，这个问题目前已经可以得到完美的解决：就是添加C或其它导电剂。实验室报道可以达到160mAh/g以上的比容量。我们公司生产的磷酸铁锂材料在生产过程中已经添加了导电剂，不需要制作电池时添加。实际上材料应该为：LiFePO4/C，这样一个复合材料。
2、振实密度较低。一般只能达到1.3-1.5，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。这一缺点决定了它在小型电池如手机电池等没有优势。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。
3、目前研究开发还不深入。目前以磷酸铁锂作为正极材料的产业化情况并不乐观。因为还是最近两年发展起来的，所以各方面的研究还需要继续深入。

四、  其它

在动力电池领域，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，使其一直在动力电池门外徘徊，始终没有完全进入动力电池领域。现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始终没有大批量的进行商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段，目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料，其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品，在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的20年内可能会取代铅酸电池，成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源，成为二次电池的老大。

现在磷酸铁锂最主要的问题是容量偏低, 制造成本偏高,在电池生产上加工困难(制浆,拉浆,辊轧等工序都需要特殊处理,很多企业不能很好的处理)倍率放电不稳定(需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大)而现在电器的使用趋势是小巧型发展,所以对电池也有同样的要求高体积能量密度.从容量上看磷酸铁锂没有前途,在特定的电池领域使用较有优势，如动力电池。

磷酸铁锂振实密度比较低,比表面积很大,需要改变电池先行工艺,而且电池极片的面密度低所以同样型号的电池容量更低。

电解液也需重新开发适用的电解液体系，用现有的成熟电解液难发挥其性能。

另外，由于磷酸铁锂电池的工作电压范围在2.5～3.6V，平台为3.3V左右，没有批量配套的保护线路和充电器，较难在现有的电子设备上发挥出其特性，需要一个整体的行业整合。

产业化方面：

国外做得较早的为是美国Valence（威能）公司和A123（高博）公司，这两家公司都在国内（江苏）有材料生产企业生产磷酸铁锂正极材料，然后采用委托其它电池公司代工生产电池出口。

国内目前已经有很多公司在作测试，研究，小批量试产材料，北大先行，中辉振宇，山西力之源等比较活跃，湖南瑞祥与杉杉公司也在跟进。批量生产电池的企业尚不多，山东海霸能源集团公司宣传较多，有产品上市。
作者: hui468    时间: 2009-2-7 07:45
标题: 价高
目前铁锂电池的高价格决定了它的用户定向，混合动力四轮车可能容易接受。而对于千元级售价的二轮电动车，二千多元的铁电池，除了发烧友以及在意车子重量的车主，恐怕不是一般人愿意接受的。
作者: supuser    时间: 2009-2-7 17:58
不是价高。
作者: 老顽童    时间: 2009-2-7 23:43
最新铁电池动力专区
铁电池——汽车动力的未来

造车网 http://www.zaoche168.com/ 2009年01月06日  

        铁电池应用于汽车动力是当前的最新技术。电动汽车一直是全球汽车行业不懈追求的方向，而中国在电动汽车方面花费的气力更是不少。电动汽车的研发和应用最大的技术瓶颈就是电池，因其对电池的要求比较高，高比能、高比功率、快速充电和具有深度放电功能、循环和使用寿命长。近几年，包括比亚迪、三菱、通用、宝马等在内的汽车业巨头都在电池研究上投入很大的人力财力，。据了解，现在研究比较多的，社会推广较好的几种电池主要是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和铁电池，其中铁电池又是行业前景最被看好。

        铁电池技术作为世界新能源汽车领域的最高技术，自然有其它电池技术无法比拟的优点。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。绿色无污染：高铁酸盐放电后的产物为FeOOH或Fe2O3-H2O，无毒无污染，对环境友好。不需要回收。

        近期在深圳的第十届高交会上，比亚迪高调发布了其搭载铁动力电池的F3DM双模电动汽车，更引起业界和社会对铁电池的关注。
高铁电池技术
在目前的燃料电池技术中，有一种新的电池技术-----铁电池技术。

        目前国内外研讨的铁电池有高铁电池和锂铁池两种。高铁电池是一种以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）作为高铁电池的正极材料制作的，具有能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特点的新型化学电池；另一种是锂铁电池，主要是磷酸铁电池，开路电压在1.78V-1.83V，工作电压在1.2V-1.5V，比其他一次电池高0.2-0.4V，而且放电平稳、无污染、安全、性能优良。

高铁电池技术简介

        高铁作为电池的正极材料时, 该电极反应为三电子反应, 电池的电势以及能量都比传统的锌锰电池高。而且这种材料价格低廉对环境无污染, 因此受到电化学界的广泛注意。

        高铁酸盐物质在电池反应中可以得到3 个电子, 所以有相对较高的容量。从表1 可以看出, 高铁酸锂的理论容量高达601Ah/kg。高铁酸钡的理论容量也有313 Ah/kg。而MnO2 的容量为308Ah/kg。



        以高铁酸盐为正极材料取代商业锌锰电池中的MnO2 即可组成高铁一次电池。其电池反应为:

                                                                 MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MznO2

        图1 是高铁酸钾—锌电池和锌—锰电池放电曲线比较。7号电池在0.5mA/cm2 的电流密度下恒电流放电, K2FeO4 正极材料对Zn 的平均放电电压是1.58V。该电压高出锌锰电池平均放电电压( 1.27V) 24% , 前者的放电容量比后者高32% 。在以上条件下其放电效率为85%。与传统的锌锰电池相比, 高铁一次电池具有高电压( OPV: 1.9V) 、高能量( 1.55Wh, AAA) 、不消耗电解液和不污染环境等优点。
在高铁电池中，可作为电池负极的材料也很多，包括锌、铝、铁、镉和镁等。

1、 锌（Zn）
        根据锌的金属特性，其平衡电位较负，电化当量较高，因而比能量和比功率都比较高。而且锌具有较好的放电性能，价格便宜，来源丰富。在化学电源中得到广泛的应用。目前应用形式主要有Zn-MnO2电池和Zn-空气电池。
        对于锌负极，在应用于高铁电池中有着一定的优势，因为锌电极作为负极材料在碱性溶液中有着较成熟的理论和工艺积累。研究Zn-MFeO4电池时，在缓蚀剂、导电剂、隔膜、集流体以及制造工艺等方面有许多可借鉴的技术。

2、 铝

        铝作为高铁电池的负极，会遇到两个问题：一是铝在碱性溶液中的自腐蚀问题，在强碱性溶液中，铝的溶解速度很快，同时产生大量的氢气，对高铁酸盐来说，穿过隔膜的氢气会加速高铁酸盐的分解；二是铝在阳极过程中表面产生沉积物会阻止电极的反应，使阳极过电位升高，降低了阳极的电压效率。可以通过合金化和电解液添加剂这两个途径来克服上述问题。通过添加一些元素形成二元或多元铝合金，如添加Ga、Sn、In等金属可以改变铝表面沉积物的组成结构，提高铝的阳极电位，同时增强铝抗自腐蚀的能力。在电解液中添加其它物质也可以改善电极反应产物的晶型, 从而起到抑制腐蚀和提高阳极电位的作用。如添加In(OH)3可以有效减小腐蚀，而添加Ga2O3、Na2SnO3或柠檬酸钠等都可以对活化电极起到有效的作用。

3、 铁
        在碱性溶液中，铁最初形成+2价产物，二价铁与电解液形成Fe(OH)n2-n 络合物，在继续放电时生成+3价铁，而且由+3价铁与+2价铁相互作用形成Fe3O4。

        铁与高铁酸盐组成电池时，电池的开路电压为1.5V左右，随着高铁酸盐的类型而有少许变化。由铁电极的放电曲线可知，铁负极在放电时有两个放电平台，第一个放电平台对应的是Fe向Fe(OH)2的转化；第二个放电平台对应的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反应，第一个放电平台到第二个放电平台电压会降低0.3V左右。实际上，第二个平台的放电容易受到很多因素的影响。如第二次放电产物和高铁酸盐的反应产物 Fe(OH)3会与Fe(OH)2形成Fe3O4，影响了Fe(OH)2的放电。铁负极与高铁酸钾组成的单体电池在第一放电平台的理论容量应为285.3mAh/g。

4、 镉

        镉与高铁酸盐组成电池时，单体电池开路电压的理论值应在1.4V左右。镉的电化当量为477mAh/g，与K2FeO4组成电池的理论容量为219mAh/g。

高铁电池电解液

1、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。

2、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。
高铁酸盐是一种由六价铁酸根与金属离子组成的盐类,其通式为Mx FeO4. 高铁酸盐的放电产物为Fe (OH) 3 和水合氧化铁,对环境无污染并能起到凝絮作用,保护环境. 原料铁资源丰富,价格低廉,故可称其为新型“高能绿色环保”电池。

高铁酸盐的制备方法

　　高铁酸盐的制备方法主要分为化学法和电化学法两种。化学法又可分为次氯酸盐氧化法、过氧化物氧化法。电解法主要是利用电化学方法合成。

１、次氯酸盐氧化法

　　该方法是使用铁盐在碱性溶液中生成氢氧化铁,再用次氯酸钠将Fe3 +氧化成高铁酸钠,除去沉淀,加入过量的氢氧化钾,再经分离、洗涤纯化、干燥即可得到所需产品。
　　该法以次氯酸盐为氧化剂,容易产生有毒的氯气,而且工艺条件需严格控制,程序繁琐,无法实现工业化生产。

2、过氧化物氧化法

　　该方法又称为熔融法,是将碱金属的过氧化物与铁、铁盐或氧化铁混合在500～1 000 ℃中熔融,反应生成高铁酸盐。该法反应温度较高,成本较大,干燥环境不易控制。

3、电解氧化法

　　该方法是铁阳极在浓碱溶液中电解发生氧化反应生成高铁酸盐, 再加入KOH 使之转化为K2 FeO4 沉淀下来。
　　该法反应过程容易控制,不需要任何化学氧化剂,是一种绿色无污染的方法. 但是对电解槽和隔膜的材质要求较高,金属铁在阳极易钝化,高铁酸钠的不稳定,以及电流度、电解温度、电解时间等因素都会影响电流效率。

        为了改进制备方法，最近一些专家提出一种电解-电渗方法制备高铁酸钾。电解电渗法制备K2 FeO4 , 以14 mol/L 的NaOH为电解液,白口铸铁在阳极室被电解生成Na2 FeO4 , Fe + 2OH- + 2H2O = FeO42 - + 3H2. 然后在外加直流电场作用下,利用多孔陶瓷膜的电渗性能,使生成的Na2 FeO4 溶液浓缩,并进一步与KOH反应得到K2 FeO4。

锂铁电池的工作原理（LiFePO4）

        LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。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。



        LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

LiFePO4电池主要性能

        LiFePO4电池的标称电压是3.2 V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。例如同一种型号（同一种封装的标准电池），其电池的容量有较大差别（10%～20%）。

磷酸铁锂电池的特点

1、效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；
2、温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；
3、使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；
4、好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；
5、放电到零伏也无损坏；
6、快速充电；
7、成本；
8、环境无污染。
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。



图1  STL18650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%。
从图3中可看出，STL18650锂铁电池可以在-20℃下工作，但输出能量要降低35%左右。



图2  STL18650在多温度条件下的放电曲线


        STL18650的充放电循环寿命曲线如图4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。



图3  STL18650的充放电循环寿命曲线

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。
应用领域：

1 大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；
2 轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；
3 电动工具：电钻、电锯、割草机等；
4 遥控汽车、船、飞机等玩具；
5 太阳能及风力发电的储能设备；
6 UPS及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好)；
7 替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；
8 小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

        这里举一个用锂铁动力电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10Ah(360Wh)的铅酸电池，其重量12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用锂铁动力电池，采用同样的360Wh能量（12个10Ah电池串联组成），其重量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达3～5年。虽然说锂铁动力电池的价格较铅酸电池高得多，但总的经济效果还是采用锂铁动力电池更好，并且在使用上更轻便。

        锂铁电池是一种新型动力电池，由于其性能优良，受到各方面的重视。我国现在已有一些工厂生产锂铁电池正极材料及生产各种不同容量的锂铁动力电池。由于生产时间不长，规模还不大，造成供不应求的情况。不过，这种情况可望在2～3年内得到改变，锂铁动力电池将更便宜，并且其应用将更普遍。
铁电池在汽车上的应用
应用在汽车上的电池主是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。但是由于这些电池中都带有一定的发展局限性，如功率低（铅酸电池）、易污染（镍镉电池、镍氢电池）、成本高（锂电池），因而都不能得到很好的发展。

        近几年，一些公司鉴于上述电池的局限性，推出一种新产品---铁电池。目前国内外研发的铁电池有两种，高铁电池和锂铁电池。高铁电池是一种以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）作为高铁电池的正极材料制作的，具有能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特点的新型化学电池；另一种是锂铁电池，主要是磷酸铁电池，开路电压在1.78V-1.83V，工作电压在1.2V-1.5V，比其他一次电池高0.2-0.4V，而且放电平稳、无污染、安全、性能优良。

        基于铁电池的众多优点，在很多行业得到了实际应用，如车辆、船舶、医疗器械等，今天我们说一下其在汽车行业的应用。

铁电池在汽车上的应用

一、锂铁电池的应用

        锂铁电池前面也介绍过，主要是磷酸铁电池，也是锂离子电池的一种，全名是磷酸铁锂锂离子电池，这名字太长，简称为磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适于作动力方面的应用，则在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池。也有人把它称为“锂铁（LiFe）动力电池”。

LiFePO4电池技术特点：

1、 高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；
2、 高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电         池的结构安全、完好；
3、 即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；
4、 极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；
5、 过放电到零伏也无损坏；
6、 可快速充电；
7、 低成本；
8、 对环境无污染。

由于磷酸铁锂电池具有上述优点，并且可以生产出不同容量的电池，很快得到了广泛应用，如：

1、大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；
2、轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；

二、高铁电池的应用

        在深圳第九届中国国际高新技术成果交易会上, 比亚迪股份公司展示了自行研制的F6 双模电动汽车, 成为业界关注的焦点。这款双模电动汽车使用的动力电池是名为“ET- POWER”的铁动力电池, 它是比亚迪在电池领域的最新成果。

        比亚迪股份公司的“铁电池”在“低成本”、“高容量”及“高安全”等三个指标上都取得了实质性突破。该电池采用的是资源丰富、价格低廉铁元素材料, 成本低; 而材料本身的高比容量及后续的性能设计保证了此电池与其它常用锂离子电池的能量密度相近; 高热稳定性材料的选择和缜密的工艺设计也使该电池通过了系列安全测试, 安全性能稳定。此外, 它还具有长循环寿命、宽使用温度范围和优异的大电流放电性能等一系列优良特性。

比亚迪DM双模分析

        之所以叫DM(Dual Mode的缩写),就是因为这种系统包含了纯电动(EV)和混合动力(HEV)两种模式。它与丰田混合动力系统的最大区别在于能够在电力驱动下行驶较长的距离，所以大容量的铁电池是比亚迪DM系统的最核心的技术。

        在动力输出方面，F3DM是将一台1.0升的3缸发动机与大小两个电动机以及两个电控离合器串联在一起，然后通过一个减速机构向前轮传递动力。主电动机负责电动模式（EV）下的动力输出以及减速时的反向充电，小电池则作为发动机的起动以及驱动时的辅助动力。通过两个离合器的结合与切断，便可以实现HEV与EV两种模式的自由切换。如下图所示：

        总之，铁电池技术具有高电压、高能量、无污染等优点, 而且目前已开始从实验室走向产品商业化, 市场前景不可估量, 大力发展铁电池技术对我国电动汽车产业化进程的推进有着重要而深远的意义。
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。

铁电池研发现状

　　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。

　　07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。

　　上月，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。

技术变商品 前景看好

        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。
由于混合动力汽车有两套驱动系统，驱动系统与整车控制单元（VCU）之间的信息交换与协调就显得尤其重要。CAN（Controller Area Network）总线即控制器局域网络，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴，具有实时性强、可靠性高、抗干扰性强、结构简单、操作性好、价格低廉等特点，因此被广泛用于工业控制中。

电动汽车电机控制器

直流电机调速器采用PWM脉冲调制技术，对直流电动车进行无级调速。有欠压、过流等常规保护.有带逆转和不带逆转的二种规格。主要应用以电瓶为动力源的电动汽车、电动游览车、电动高尔夫球车、叉车行走、旅游车、搬运车、多用途车、堆垛车的电机进行转矩及速度控制，控制直流串励(它励)电机或永磁电机。电阻调速和模拟控制串励电机调速的更新换代产品。电压范围12V-120V， 输出功率范围0.20-25KW,其中无刷电机调速器输出功率范围0.20-10KW.有高电位低电位刹车多种形式，有正反转功能，有欠压保护，过流保护，堵转保护,换向角60°/120°通用。重量;0.8- 4 kg,外形尺寸; 150-350 × 100 × 55mm.也供应DC-DC转换器和与控制器配套的电机逆转器。包括电机和电动车全部方案设计。

    总线控制驱动

混合动力电动汽车总成控制系统，测速单元的速度信号传送给主控制器，主控制器的控制信号经驱动模块、充电器传送给蓄电池，主控制器的控制信号通过温度控制器传送给蓄电池，蓄电池的电压、电流、温度信号通过检测模块传送给主控制器，设定单元的设定信号传送给主控制器，CAN外总线的数据信号端与主控制器相互连接，主控制器的控制信号经数模模块传送给变频器，变频器的频率信号传送给电动机，电动汽车总成控制系统按工作流程步骤工作，本发明具有电路简单，可靠性强，智能化程度高，运行稳定，反应快速等优点，能满足混合动力电动汽车速度自动控制、节省能源和促进混合动力电动汽车普及推广的需要。

纯电动汽车采用电机代替传统的发动机，因此电机控制子系统与CAN,总线上的节点的通讯就显得十分重要。

　1 CAN节点的硬件设计

当今的电机控制已经进入到全数字控制阶段，本设计选用TI公司的DSPTMS320LF2407作为电机控制器。TMS320LF2407是一种低成本、低功耗、高性能的处理器，其执行速度达到30 MIPS，指令周期缩短到33 ns；有两个事件管理模块，可实现PWM的对称和非对称波形，可编程的PWM死区控制等专门应用于电机的数字化控制的设计。同时TMS320LF2407还集成CAN控制器模块。集成的CAN控制器有以下特性：完全支持CAN2.0B协议，支持标准和扩展标识符；有6个邮箱，其数据长度为0-8个字节，2个接收2个发送，2个可以配置为接收或发送；有15个16位控制寄存器，控制CAN的位定时器、邮箱的发送和接收使能、错误状态及中断等；当发送出现错误或仲裁时丢失数据，CAN控制器有自动重发功能等。

2 CAN节点的软件设计

CAN2.0B中规定，有两种不同的帧格式：含有11位标识符的帧为标准帧；含有29位标识符的帧为扩展帧。CAN节点间传输的报文有4种不同类型的帧：(U数据帧(DataFrame)，将数据发送到CAN,总线上，供其它节点接收；②远程帧(RemoteFrame)，节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧；③错误帧(ErrorFrame)，任何节点检测到总线错误时发出错误帧；④过载帧(Overload Frame)，在相邻数据帧和远程帧之间提供附加的延时。其中数据帧和远程帧可以使用上述两种帧格式。





图1　TMS320LF2407的CAN节点接口电路


由于CAN总线符合ISO/OSI参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议，用户需自己开发应用层协议。需根据整车的应用层协议规定CAN帧的标识符和数据域的含义。本系统中采用的是扩展帧格式，在汽车的主控制器和电机控制器间共有8种不同类型的数据，也就有8种不同的标识符，分别是主控制器发给电机控制器的电机控制指令、驾驶需求、制动、故障信号；电机控制器发给主控制器的电机状态1(转速、转矩)、电机状态2(电流、电压)、电机状态3(电机温度)、电机故障信号。由应用层协议来决定CAN控制器发送和接收的帧格式。


TMS320LF2407的CAN控制器模块包括6个邮箱，每个邮箱由邮箱标识寄存器、邮箱控制寄存器、4x16位的存储空间组成。在对CAN控制器进行操作前，对位定时器和邮箱进行初始化，本系统将邮箱3配置为发送邮箱，邮箱2配置为接收邮箱；发送用查询的方式，接收采用中断方式。图2为CAN初始化程序框图。





图2　CAN初始化程序框图


根据系统应用层协议的规定对CAN控制器初始化后，电机控制器即可与CAN,总线上的其它节点进行通讯。当主控制器需要给电机控制器发送指令时，主控制器要保证发送指令的数据帧ID与电机控制器的ID一致。电机控制器检测到总线上有数据时，比较总线上数据帧ID与自身的ID，如一致则接收该数据帧，如不一致则不接收，从而保证数据帧能够正确传送到目的节点，而其它非目的节点不会接收。电机控制器正确接收到主控制器的数据帧后，分析数据帧的数据域数据，解析出控制命令，即由应用层协议判断控制信号，由控制器实现对电机的控制。同样，电机控制器可以将状态信息传给主控制器和总线上的其它节点，每个节点只接收ID与自身ID一致的数据帧。这样电机控制系统与CAN总线上其它节点之间就可以方便地实现通讯。

由于CAN总线的应用实现了车身各子系统之间的资源共享，就可根据智能化的要求和综合协调控制的特点组成一个协调控制的综合系统，全面提高汽车的整体性能。
动力电池分类

那么究竟这些动力电池的发展如何呢，首先我们看看目前常见的动力电池分类。

锂铁电池

锂铁电池全名是磷酸铁锂电池，锂电池和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。这种电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。70年代进入实用化。因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。

锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

    高铁电池　　

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。

高铁电池的优点：

    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。绿色无污染。高铁酸盐放电后的产物为FeOOH或Fe2O3-H2O，无毒无污染，对环境友好，不需要回收。


动力电池的现状

电动汽车的核心动力——动力电池一直成为制约世界汽车工业厂商研发电动汽车的瓶颈。目前国际公认的是采用高铁和磷酸锂铁电池。高铁电池一直被视为禁区，磷酸锂铁是国内外厂商研发的重点。高铁酸盐作为电池材料最先由以色列的科学家在科学杂志上发表的。但是水溶液体系的电池存储性能太差，国内有好多所大学在研究。

1997年，磷酸锂铁材料开始引起国内关注。1998年，国家863计划投资20亿在汕头研究磷酸锂铁。中国企业从2001年开始陆续启动磷酸锂铁材料开发，历经6年时间，北大先行终在2007年突破了磷酸锂铁从实验室技术到中试生产技术的一系列技术及工程问题，并在完善相关工艺过程中，使得磷酸铁锂电池的安全性得到了较大程度的提高与保证，奠定了磷酸铁锂产品系列化和规模产业化的基础。

而在几年前，比亚迪组织500人的研发团队，开始了铁电池的研发攻关。经过上万次试验和测试，比亚迪成功研发出电动汽车专用的铁电池，取名为“ET－ POWER”。比亚迪相关负责人介绍说，它代表了比亚迪在电池领域的最新科研成果，其中E表示环保和电力（environment和electric）， T则表示技术（technology），power则表示动力和能量的意思，比亚迪以“ET－POWER”来命名新汽车动力技术，取意未来科技、未来汽车动力的含义。 这种电池的主要成分其实也是磷酸锂铁电池，这种具有安全、稳定性高、比容量高、环保、价格便宜等优点，但是也有导电性差、振密度低等缺点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，导电性差是一个主要的问题。这个问题目前已经可以得到解决：就是添加C或其它导电剂。这也就是业界被视为禁区的高铁电池。

动力电池未来发展

随着世界能源的紧缺和对汽车尾气排放法规的增多，新型动力能源是发展的必然趋势，这种电池动力能源汽车更是大势所趋，然而因为技术的原因，这些多种形式的动力电池也仅仅是比亚迪一家大规模投入市场应用。据报道，09年比亚迪将推出全电池动力的汽车，如果这种全电池动力的汽车能完全应用到市场，这将是动力市场的一种革命，无论是从环保还是从消费者的消费成本方面来说，都是有极大的好处。

未来的动力电池也将会是各个汽车厂家重点研发的方向，对于世界庞大的汽车市场来说更是有非常巨大的市场前景。
作者: 老顽童    时间: 2009-2-7 23:44
http://bbs.zaoche168.com/index.php
这里看
作者: 老顽童    时间: 2009-2-7 23:46
高铁电池制备材料！！！新！新！新！

1、
锌（Zn）

根据锌的金属特性，其平衡电位较负，电化当量较高，因而比能量和比功率都比较高。而且锌具有较好的放电性能，价格便宜，来源丰富。在化学电源中得到广泛的应用。目前应用形式主要有Zn-MnO2电池和Zn-空气电池。
在碱性溶液中，锌电极反应除了形成锌酸盐外，最终产物主要为固相的氧化锌：

Zn + 2OH-→Zn(OH)2 + 2e

Zn(OH)2 + 2OH-→Zn(OH)42-

Zn(OH)42-→ZnO + H2O + 2OH-

总反应为：Zn + 2OH- →ZnO + H2O + 2e

对于锌负极，在应用于高铁电池中有着一定的优势，因为锌电极作为负极材料在碱性溶液中有着较成熟的理论和工艺积累。研究Zn-MFeO4电池时，在缓蚀剂、导电剂、隔膜、集流体以及制造工艺等方面有许多可借鉴的技术。
2、
铝

铝作为高铁电池的负极，会遇到两个问题：一是铝在碱性溶液中的自腐蚀问题，在强碱性溶液中，铝的溶解速度很快，同时产生大量的氢气，对高铁酸盐来说，穿过隔膜的氢气会加速高铁酸盐的分解；二是铝在阳极过程中表面产生沉积物会阻止电极的反应，使阳极过电位升高，降低了阳极的电压效率。可以通过合金化和电解液添加剂这两个途径来克服上述问题。通过添加一些元素形成二元或多元铝合金，如添加Ga、Sn、In等金属可以改变铝表面沉积物的组成结构，提高铝的阳极电位，同时增强铝抗自腐蚀的能力。在电解液中添加其它物质也可以改善电极反应产物的晶型, 从而起到抑制腐蚀和提高阳极电位的作用。如添加In(OH)3可以有效减小腐蚀，而添加Ga2O3、Na2SnO3或柠檬酸钠等都可以对活化电极起到有效的作用。
3、
铁

铁作为电池负极在碱性溶液中的电极反应比较复杂，铁失去电子形成稳定的+2价和+3价氢氧化物，即，
Fe + nOH- → Fe(OH)n2-n +2e
Fe(OH)n2-n → Fe(OH)2 + (n-2)OH-
E°= -0.877V (vs. SHE)
Fe(OH)2 + OH- →Fe(OH)3 + e

E°= -0.56V (vs. SHE)
然后，2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O
在碱性溶液中，铁最初形成+2价产物，二价铁与电解液形成Fe(OH)n2-n 络合物，在继续放电时生成+3价铁，而且由+3价铁与+2价铁相互作用形成Fe3O4。
铁与高铁酸盐组成电池时，电池的开路电压为1.5V左右，随着高铁酸盐的类型而有少许变化。由铁电极的放电曲线可知，铁负极在放电时有两个放电平台，第一个放电平台对应的是Fe向Fe(OH)2的转化；第二个放电平台对应的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反应，第一个放电平台到第二个放电平台电压会降低0.3V左右。实际上，第二个平台的放电容易受到很多因素的影响。如第二次放电产物和高铁酸盐的反应产物 Fe(OH)3会与Fe(OH)2形成Fe3O4，影响了Fe(OH)2的放电。铁负极与高铁酸钾组成的单体电池在第一放电平台的理论容量应为285.3mAh/g。
4、
镉

镉与高铁酸盐组成电池时，单体电池开路电压的理论值应在1.4V左右。镉的电化当量为477mAh/g，与K2FeO4组成电池的理论容量为219mAh/g。图6中曲线2为Cd-K2FeO4电池的放电曲线，可以看出该电池具有较平稳的放电平台。

[ 本帖最后由 老顽童 于 2009-2-7 23:48 编辑 ]



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