文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
磷酸铁锂电池具有良好的低温性能和安全性，其应用范围也在不断扩大。但是由于磷酸铁锂电池能量密度较低，以及原材料成本高，导致磷酸铁锂电池的价格较高，限制了磷酸铁锂电池的推广和应用。
为了提高磷酸铁锂电池的能量密度，目前主要从材料和制造工艺两方面入手，研究并开发出性能更优异的磷酸铁锂材料以及提高磷酸铁锂正极材料制造工艺的稳定性。本文从磷酸铁锂材料及制造工艺两方面介绍了磷酸铁锂动力电池制造关键技术。
磷酸铁锂的基本特性
磷酸铁锂是目前锂离子电池中最有发展潜力的正极材料，与其他正极材料相比具有如下优点：
（1）成本低。相对于三元正极材料，磷酸铁锂的价格相对低廉，在生产工艺上也相对简单，对环境的污染小。
（2）电池安全性好。磷酸铁锂材料中不含对人体有害的重金属元素，在高温下不会产生有害气体，也不会产生毒气、酸雾等物质。
（3）循环寿命长。磷酸铁锂的循环寿命通常在次以上，比三元锂高出很多，使用寿命可达10年以上。
（4）电化学性能优异。磷酸铁锂材料具有较高的循环性能和倍率性能，并且在低温条件下也能保持较好的性能。
磷酸铁锂正极材料在发生短路时，不会产生燃烧或爆炸等危险情况，同时也不会产生有毒气体和酸雾，也不会产生毒气等物质。
磷酸铁锂的制备方法
目前，磷酸铁锂材料的制备方法主要有高温固相合成法、共沉淀法、溶胶-凝胶法和水热法等。
1.高温固相合成法：高温固相合成方法是指在常温下，通过控制反应条件制备具有特定形貌的磷酸铁锂材料。高温固相合成的主要原理是利用碳源分解时释放出来的热量，使反应在低温下进行。
通过控制反应条件，可以控制磷酸铁锂的形貌、粒径、结晶度和晶体结构，从而制备出不同形貌和晶型的磷酸铁锂。
其优点是生产成本较低，但是高温固相合成法存在较多的缺点，如温度过高会导致材料晶粒长大，导致材料性能变差；原料价格高，生产成本较大；制备过程中容易产生废液和废渣等废弃物。
2.共沉淀法是将原料按一定比例混合均匀，加入合适的助剂在一定温度下进行反应后过滤、洗涤、干燥而得到磷酸铁锂产品。共沉淀法生产过程简单，可以控制产物的形貌和粒径，是目前应用最广泛的一种制备方法。共沉淀法制备的磷酸铁锂产品性能比较稳定。
3.溶胶-凝胶法是指先将碳源和铝源混合后加入到有机溶剂中进行搅拌、升温直至达到预定温度；然后将溶液过滤并在低温下进行洗涤、干燥、分散、研磨制得纳米磷酸铁锂。该方法合成出的磷酸铁锂晶粒细小、结晶度高、性能稳定。但是溶胶-凝胶法成本较高，制备过程复杂，并且存在产品团聚严重的问题。
动力电池制造中的正极材料
1、磷酸铁锂材料的优点：磷酸铁锂材料具有比容量大，循环寿命长，电压平台低，安全性高，环境适应能力强等优点，被认为是最具发展潜力的锂离子电池正极材料之一。此外，还具有价格低，来源广的特点。
2、磷酸铁锂材料存在的问题：磷酸铁锂材料的制备过程中易形成磷酸晶体，降低了其导电性；高温下磷酸铁锂晶体结构变化大，稳定性差；易发生体积变化，导致容量衰减；与电解液反应生成的有机酸也会对电池性能造成不利影响。
3、提高磷酸铁锂材料性能的措施：提高磷酸铁锂材料的比表面积和颗粒粒径是提高磷酸铁锂材料电化学性能的重要措施。研究表明，随着颗粒粒径和比表面积的增大，磷酸铁锂材料的电化学性能也随之提高。此外，优化电解液和粘结剂也是提高磷酸铁锂电池性能的重要手段。
4、改善磷酸铁锂电池制造工艺的措施：①在制备磷酸铁锂材料时要控制原料和工艺参数。通过对原材料进行筛选、添加助剂和表面活性剂等方法控制磷酸铁锂粉体质量；通过优化制备工艺和搅拌时间来减少磷酸铁锂粉体颗粒在球磨机内停留时间以减少其团聚现象；
②提高磷酸铁锂粉体在球磨机内的研磨时间，以降低其表面活性物质含量；③通过控制球磨工艺参数（如球磨温度、球料比、转速）等手段来实现对磷酸铁锂粉体粒度分布和颗粒形状的有效控制。
动力电池制造中的电解液
电解液是锂离子电池的重要组成部分，其主要功能是为锂离子电池提供一个导电的环境，并为锂离子提供合适的催化反应环境。目前，电池制造过程中主要使用有机溶剂、电解质溶液（电解液）和添加剂。
电解液在锂电池中起着非常重要的作用，它不仅能够使电池保持较高的稳定性和安全性，而且能够起到调节电解液内电化学反应的作用，并能够促进活性物质与电解质之间的充分接触。电解液的质量直接影响电池的性能，目前常用电解液包括有机溶剂、电解质溶液和添加剂三种。
有机溶剂是一类主要由碳、氢、氧组成的化合物，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇等。有机溶剂在电池中主要用于增加离子导电率，提高电解质与电极间的接触面积。常见的有机溶剂包括乙二醇、乙二醇甲醚、乙二醇二甲醚等。
电解质溶液是指为锂离子电池提供导电能力和反应活性的一类有机化合物，一般包括碳酸酯类和磷酸酯类电解液两大类。
碳酸酯类电解液一般用于锂离子电池，包括碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸乙烯酯（EC）等；磷酸酯类电解液一般用于磷酸铁锂电池，包括磷酸亚铁（FMC）和磷酸三丁酯（TPE）等。
添加剂：在锂离子电池中，添加剂在锂离子传输过程中起着关键作用。例如，提高电解质对锂离子的溶解能力；防止电解质过充电和过放电；抑制SEI膜的形成等。
不同类型添加剂对锂离子电池性能产生不同影响，因此添加适量添加剂可有效提升电池性能。目前，常用的添加剂有六氟磷酸锂、氟化亚锡、磷酸铝等。
电解液通常是由有机溶剂（如乙二醇、甲苯等）和电解质溶液（如碳酸二甲酯溶液）组成。在锂离子电池中，为了保证电解液能顺利地在正负极之间扩散，通常将溶剂和电解质溶液按一定比例混合配置而成。常用的电解液配制比例为：1~2份有机溶剂+2~4份电解质溶液。
动力电池组件的设计与制造
在电池组组装过程中，设计的好坏对电池的性能至关重要。电池的设计包括电芯的选择、电池组的设计、以及动力电池组件的设计。在电池组组装过程中，电池包和组件之间需要进行连接，这就要求电池包和组件之间要有良好的电气连接，包括：
1、电芯间连接是电动汽车中重要的部件，其关系到锂离子电池包与车辆各零部件的电气连接以及热管理系统与车辆各零部件的电气连接；
2、电池组与整车间连接：电池组与整车之间通过模组连接器进行连接；
不同类型动力电池需要有不同的连接器，其中锂离子动力电池和动力电池组需要专用连接器，而锂离子动力电池组需要使用集成度高、耐高温、耐高压、具有抗冲击能力、可靠性高等特点的连接器。
不同类型动力电池内部需要有不同类型的连接件，并且这些连接件必须具备良好的电气性能和机械性能，能够保证不同类型动力电池在使用过程中不会因为连接件失效而导致电池组出现短路或其他安全问题。
目前，主流电动汽车使用的电池包采用金属框架和塑料盒结构。这种结构下，动力电池组采用高强度铝合金作为框架，并且采用高强度钢作为壳体结构。
为了保证车辆在运行过程中能够承受住巨大载荷，同时不对车身造成损坏，铝合金框架和壳体结构在设计时均需要进行严格的强度校核。在铝制框架上，为了保证电动汽车的安全性和耐久性，铝制框架一般采用镀锌钢板进行制造；
在壳体结构上，为了保证电池组在运输过程中能够不被碰撞挤压，一般采用高强度钢或铝合金材料制造壳体。而对于动力电池系统来说，壳体材料是决定动力电池系统性能和可靠性的关键部件之一。
目前电动汽车应用最多的壳体材料是铝合金或塑料，对于磷酸铁锂动力电池来说，由于磷酸铁锂本身具有耐腐蚀和抗低温能力强等优点，因此目前磷酸铁锂电池壳体材料主要以铝合金为主。
不过随着新能源汽车产业不断发展以及国家对新能源汽车补贴政策支持力度不断加大，磷酸铁锂电池技术将会得到迅速发展。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据显示，截至年6月底，我国累计建成并投入运营充电桩53.1万个。
根据《新能源汽车产业发展规划（—年）》预测：年新能源汽车新车销量占比将达到25%左右。在国家政策支持下，我国新能源汽车产业发展迅猛。
随着国家对新能源汽车产业支持力度不断加大和新能源汽车补贴退坡趋势显现等因素影响下，未来我国新能源汽车产业将继续保持高速增长态势。
笔者观点
随着新能源汽车产业的快速发展，磷酸铁锂电池被广泛应用于新能源汽车。然而，随着其大规模的推广，其应用范围和需求量也不断扩大。
磷酸铁锂电池具有安全性能高、低温性能好、循环寿命长以及原材料成本低等优点，但是其能量密度低，因此限制了其推广和应用。
目前提高磷酸铁锂电池能量密度的主要方法包括：1、提高磷酸铁锂电池材料的比能量密度；2、降低原材料成本；3、提高磷酸铁锂电池的制造工艺稳定性。
参考文献
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