磷酸铁锂电池在电动汽车中的应用与回收

作者：文/ 訾洪静

来源：《时代汽车》 2020年第18期

訾洪静

安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽省合肥市 230022

摘 要：相应国家节能减排的发展要求，我国电动汽车行业开始快速的发展起来。与传统汽车相比，主要性能结构大同小异，最大的区别但就是动力源的不同。我国经过反复的对比试验，最终将磷酸铁锂电池当做纯电汽车动力电池的主要研究方向。本文简要说明了磷酸铁锂电池在电动汽车上的应用，并总结了现阶段废弃磷酸铁锂电池回收与利用的方法，也对磷酸铁锂电池未来的发展趋势进行了预测。

关键词：动力电池 磷酸铁锂电池 应用 回收

Application and Recycling of Lithium Iron Phosphate Batteries in Electric Vehicles

Zi Hongjing

Abstract：In response to the national development requirements for energy

conservation and emission reduction, China's electric vehicle industry has begun to develop rapidly. Compared with traditional cars, the main performance structure is similar, but the biggest difference is the power source. After repeated comparative experiments, China finally regards lithium iron phosphate batteries as the main research direction of pure electric vehicle power batteries. This article briefly describes the application of lithium iron phosphate batteries in electric vehicles, and summarizes the methods for recycling and utilization of waste lithium iron phosphate batteries at this stage, and also predicts the future development trend of lithium iron phosphate batteries.

Key words：power battery, lithium iron phosphate battery, application, recycling

1 引言

保证电动汽车能够良好运行的关键部分就是动力源，也就是动力电池部分。经过长时间的实验对比，锂离子电池因其能量密度大、使用寿命长、安全性能良好、工艺流程完善、性价比高等优势成为了国内电动汽车动力电源的主力军。锂电池种类繁多常见的有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等，经过一系列的对比分析，磷酸铁锂电池因为安全性能优良、使用循环寿命长、制造成本低的特点成为我国电动汽车动力电源的主要研究方向。笔者结合当前电动汽车动力电池发展现状，对磷酸铁锂电池的应用发展与回收处理问题进行了详细的分析，并对磷酸铁锂电池未来的发展进行了预测和展望，希望我电动车在动力电池研究上有所突破，并在接下来的发展过程中越来越好。

2 电动汽车动力电池发展现状

与传统汽车相比纯电动汽车在动力传输系统上并没有明显的区别，且因为电动汽车无污染、运行噪音小、操作更为方便、安全性能更高等特点明显优于传统石油燃料汽车，但是因为电动汽车动力电源性能的制约，在动力性能和续航能力上有所欠缺，进而使得电动汽车的普及和发展受到极大的限制。虽然近些年电池技术发展迅猛，但是并没有从根本上突破蓄电池的制约，仍然存在以下的问题：首先是电池的能量密度低使得单位体积下电池的蓄电量不足，汽车续航能力依旧是电动车的一大硬伤。其次，电池的重量过重，过于笨重的蓄电池组制约了原本向轻量化发展的电动车，且因为自身自重的问题进一步影响电动车续航，也给后续的维修带来一定的困难。最后是动力电池的寿命不长，动力电池在充电一定次数后其性能明显下降，又因为不能像其他部件一样可以维修，必须经过更换才可以正常使用，这无疑大大增加了电动汽车的使用维修成本，对电动车的推广也是一大阻力。

3 磷酸铁锂电池的实际应用概述

3.1 磷酸铁锂电池的结构组成及其主要的工作原理

磷酸铁锂电池在结构上于传电池基本相同，主要的组成部分由正极（LiFePo4）、负极（石墨）、电池电解质、电池隔膜、正负极引线、绝缘材料、安全控制阀门、密封圈、电池外壳等部件组成，不同生产厂家其内部结构可能有所不同，但是基本都大同小异。

磷酸铁锂电池的工作原理可以分为充电和放电两种主要是由锂离子电荷变化实现的。首先，在电池充电时其化学公式表达为LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4，即电池正极中的锂离子从中脱离出来，在经过电解液，进入到负极材料石墨中，实现电池充能；其次，由电池放电时的化学表达公式：FePO4+xLi++xe- →xLiFePO4+(1-x)LiFePO4可以看出，锂离子从负极材料中脱离，再经过电解液回到正极材料中，因此磷酸铁锂拥有良好的循环稳定性，使其使用寿命大大延长。

3.2 磷酸铁锂电池在电动汽车上的应用

现如今中国和日本是世界上生产锂离子电池的主要国家，其产量占据了世界锂离子电池生产总量的70%左右，但是我国锂离子动力电池的发展相对滞后，生产技术以及产品质量依旧不能满足电动汽车高标准的要求。因此我国退而求其次，在锂离子电池中着重选择了安全性和循环性更好的磷酸铁锂电池进行研发和拓展。

之所以选择磷酸铁锂电池进行研发是经过多年的实验总结得出的最优结果。因为磷酸铁锂电池的电池安全性更好，并具有寿命长、成本低、耐高温、无记忆效应等优点，使其在电动汽车使用上体现出了较为优良的实际使用效果，非常符合我国电动汽车发展的需要。早在2009年，我国就启用了由磷酸铁锂电池作为动力电源的电力公交系统，其中合肥18路公交是世界上第一条纯电动公交线路，在随后的几年，我国有先后投入试运营了更多纯电动公共交通设施，并扶持比亚迪汽车公司研发我国独立自主的电动汽车品牌，经过多年的研究，我国纯电动汽车已经取得了相当多可喜的研究成果。

3.3 磷酸铁锂电池存在的性能缺陷

任何产品都不是十全十美的，磷酸铁锂电池也有其本身的性能缺陷。首先，磷酸铁锂电池的低温性能较差，在零下10℃的低温环境中容易形成锂枝晶，非常容易引起电池的短路，这也是磷酸铁锂电池一个较大的安全隐患。其次，单个磷酸铁锂电池虽然有着较好的平衡性，但是一旦成组成对的运作，独立电池之间容易产生影响，非常容易由单个电池问题影响整个电池组安全性能。最后，磷酸铁锂电池的振实密度较低，一般只有0.8-1.3左右，这也就导致电池的体积较大，对汽车整体结构设计造成一定的影响，虽然不影响整体的性能和动力，但是依旧需要将其轻量化和缩小化。

4 废弃磷酸铁锂动力电池的回收与利用

4.1 磷酸铁锂电池回收的实际意义

磷酸铁锂电池相比其他种类的电池循环寿命更长、安全性能更好，因此被广泛的应用在电动汽车上，是我国动力电池生产的主要种类。但是因为磷酸铁锂电池的平均使用寿命有限，只有不到5年的时间，所以，随着我国电动车行业的快速发展，我国每年产生的废弃磷酸铁锂电池将会越来越多。另外，磷酸铁锂电池相比其他电池具有污染性小的特点，但是如果得不到有效处理回收，依旧会对环境产生一定的污染。而更为详细的数据表明，我国新能源汽车的产量和销量每年都在递增状态，从2014年不到8万辆到2019年的124万辆，这种爆发式的增长除了表现了当代消费者对新能源汽车的认可外，结合上面所说的磷酸铁锂电池动力电池的寿命问题，为了不影响汽车的使用安全，就必须进行电池更换，因此大量的废旧动力电池也随之产生。截止到今年2020年我国废旧磷酸铁锂动力电池的总量有可能达到12万t至20万t。因此，为了保护我国生态环境，建立良好的磷酸铁锂电池生产条件，就必须对废旧的磷酸铁锂电池进行更为安全有效的回收处理，在实现节能环保的同时，还可以获得一定的经济效益。

4.2 磷酸铁锂电池回收利用的方法

从磷酸铁锂电池的主要结构的研究中可以得出，对于废旧的磷酸铁锂电池主要需要处理的就是电池的正负极、电解液以及电车隔膜这几个部件。正极片主要是由磷酸铁锂、粘结剂以及铝箔等材料制成。电池的负极则是由活性炭材料、粘结剂以及铜箔组合而成的。在电池电解液中主要含有电解质的锂盐，电池的隔膜则是聚烯烃微孔膜，这些都有回收再利用价值。因此，针对磷酸铁锂电池的组成结构，在处理废旧磷酸铁锂电池后可以获得电池内金属材料、铝箔、铜箔、隔膜塑料等可回收材料。这些物质在经过专业化的无害化处理后就可以在进行生产再加工，有效节约了生产成本。

此外，在对磷酸铁锂电池进行处理的时候还需要结合实际情况进行提前预处理，其中最为主要的内容是是进行电池残余电量放电处理。在进行电池残余电量放电处理的过程中，针对不同类型的电池处理方法不尽相同。首先，对于体积小、含电量小的小型电池可以通过让电解液短路的方式让电池失活，快速的对电池进行处理。其次，在处理电动汽车内大型动力电池的时候，因为其内部含电量巨大，必须先用专业设备进行放电处理，只有等待电量耗尽才可以进行拆解工作，常用的处理方式是通过液氮在低温条件下对其进行失活处理，保证工作人员和设备的安全性。

我国虽然已经掌握已经的电池回收处理技术，但是实际的回收利用率并不是很高，在回收处理工艺以及相应的回收管理法规上都有着巨大的提升空间，国家应该就这方面进行更多的研究。

5 未来磷酸铁锂电池的发展展望

在新能源汽车发展的早期阶段，磷酸铁锂电池因其热稳定性优越、安全性好、开发成本低等优点，成为了各大厂商的首选。并随着锂电池关键技术的不断升级，其实际表现越来越优异。随着我国对磷酸铁锂电池技术的大力投入，磷酸铁锂电池的能量密度高、体积小、使用寿命长和重量轻等优势在续航里程相同的情况下，磷酸铁锂电池表现的更加理想。再加上我国对磷酸铁锂电池回收利用技术与相关制度的逐步完善，我相信磷酸铁锂电池在电动汽车以及其他电动能源行业都有着越来越广阔的发展前景。

6 结束语

综上所述，在“既要金山银山，又要绿水青山”的发展理念下，我国对于环境保护以及新能源技术的开发越来越重视。电动汽车等新能源汽车行业也随之进入了发展的高速车道，磷酸铁锂电池由于其独特的优越性能，成为了当前电动汽车最优的动力电源选择，国家在其技术研发上投入了巨大的人力物力，而随着生产量的激增，废品回收和利用也被重视起来。希望相关技术人员不断弥补磷酸铁锂电池的不足之处，为我国电动汽车的发展做出应有的贡献。

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作者简介

訾洪静：（1982.10—），女，汉族，安徽省宿州市人，学历：硕士，职称：工程师。研究方向：动力电池系统。