隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及電化學(xué)材料及工藝技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷地研究、開發(fā)出新型電池材料及新型電池。繼鎳鎘、鎳氫可充電電池之后，在1991年開發(fā)出可充電的鋰離子電池，1995年又推出性能更好的聚合物鋰電池，到2002年后，新型磷酸鐵鋰電池又問世。

目前市場上的鋰離子電池的正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO₂），另外還有少數(shù)采用氧化錳鋰（LiMn₂O₄）及氧化鎳鋰（LiNiO₂）作正極材料。新型磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰（LiFePO₄）作電池正極，用石墨作負(fù)極的鋰離子電池。它的工作原理與鋰離子電池完全相同，是鋰離子電池家族中的新成員。

磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡稱磷酸鐵鋰電池。由于該電池非常適用于作動力電池，所以往往稱它為磷酸鐵鋰動力電池。本文簡寫成LiFePO₄電池。

在上述幾種鋰離子電池正極材料中，以金屬元素鈷（Co）最貴，并且世界上儲藏量不多、其次是鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜、而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價格也與這些金屬材料的價格行情一致。因此，LiFePO₄電池應(yīng)是最便宜的。另外它具有放電平臺特別平坦、能用大放電率放電（5~10C）、特別安全（不會因過充電、過放電、甚至短路時發(fā)生燃燒或爆炸）、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染等特點，作為大電流輸出的動力電池，它的性能是最佳的。

目前國內(nèi)已有一些工廠能生產(chǎn)LiFePO₄正極材料，有一些工廠已小批量生產(chǎn)各種不同容量的LiFePO₄電池（容量從幾百mAh到幾百Ah）。由于生產(chǎn)時間不長、產(chǎn)量不大，還是初創(chuàng)階段，因此目前在價格上比同樣容量的鋰離子電池還貴，但是還供不應(yīng)求，經(jīng)常發(fā)生缺貨。這種現(xiàn)象將在1~2年內(nèi)得到改進(jìn)。到那時LiFePO₄電池的價格更齊全、質(zhì)量進(jìn)一步提高，價格也更便宜，應(yīng)用將更廣泛。

1. LiFePO₄電池主要特點

（1）強勁的動力特性

一般鋰離子電池的工作放電率為1~1.5C，動力鋰電池為2~5C，而LiFePO₄電池可在2~10C放電率范圍長期工作，甚至于在10秒短時間內(nèi)可達(dá)20C的放電率。采用LiFePO₄電池作為動力的汽車有極好的加速性能、用作電動工具手電鉆電源時則有高的鉆孔速度，并能對硬度較大的材料進(jìn)行鉆孔。

（2）極為平坦的放電平臺

LiFePO₄電池在不同放電率時的放電特性如圖1所示。

圖1

從圖1中可以看出，放電特性曲線極為平坦，在放電容量80%以內(nèi)幾乎是平直線，大部分電壓在3.2V~2.9V之間。電壓變化在10%之內(nèi)，放電電壓是很穩(wěn)定的。

  

圖2

圖2是采用同樣尺寸及容量的鋰離子電池用同樣的放電率得出的放電特性。圖1與圖2相比較可看出：LiFePO₄電池的放電特性是極好的；

（3）循環(huán)壽命長

如果采用1C充電率充電、2C放電率放電對鋰離子動力電池及LiFePO₄電池作循環(huán)壽命試驗，其結(jié)果是：鋰離子動力電池做了300個循環(huán)后，其放電容量已降到85%；而LiFePO₄電池做了500個循環(huán)后，其放電容量還大于95%。

如果采用1C充電率充電、5C放電率放電對上述兩種電池作循環(huán)壽命試驗，其結(jié)果是：鋰離子動力電池做了300個循環(huán)，其放電容量已降到60%；而LiFePO₄電池做了300個循環(huán)放電容量還大于80%。

從上述比較可知：LiFePO₄電池在高放電率時也有較長的循環(huán)壽命，在一般1C放電率使用時其循環(huán)壽命可達(dá)1000次以上。

（4）高安全特性

大功率動力電池不能使用PTC及CID一類的保險絲作過流保護(hù)，因此安全要靠內(nèi)部化學(xué)成分，即使電池在短路故障發(fā)生時也不會產(chǎn)生燃燒及爆炸。同樣，電池受外力損傷（甚至用針刺，將電池刺破）也不會燃燒及爆炸。另外，在使用過程中有過充電、過放電時，這對電池會有些損傷，但不漏液、不燃燒、不爆炸。即使充滿電的電池，將它放到130℃的熱箱中，電池內(nèi)部溫度也達(dá)到130℃時也不燃燒、不爆炸。

由于它安全性極好，適合用于易燃、易爆、工作溫度較高的場合。例如用LiFePO₄電池作礦燈電源是最安全的。

（5）能在低電壓帶負(fù)載放電到0V

有一些性能好的LiFePO₄電池，在放電到終止放電壓2.0V后還繼續(xù)放電到電池電壓為0V時，對電池性能影響不大。其試驗如下：電池以0.5C充滿后以1C放電到0V；在電池正負(fù)極加一個1W電阻連接起來；將電池分成兩組分別放置7天及30天；到期后再按0.5C充滿，按1C放電，其兩組電池的試驗結(jié)果是：放置7天的一組，無泄漏、性能良好、放電容量為100%；放置30天的一組，無泄漏，放電容量為98%，經(jīng)過3次充放電循環(huán)，恢復(fù)到100%。

（6）對環(huán)境無污染

LiFePO₄電池對環(huán)境無毒，其毒性明顯低于LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄為正極材料的鋰離子電池。

(7) 價格低

由于LiFePO₄有上述特點，因此它發(fā)展勢頭很猛，將在很多領(lǐng)域中逐步取代以氧化鈷鋰為正極材料的鋰離子電池。

2. LiFePO4電池充電器

LiFePO₄電池的主要參數(shù)是標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6±0.05V、終止放電電壓是2.0V。由于它的終止充電電壓與鋰離子電池的終止充電電壓（4.2V）不同，所以需要LiFePO₄電池專用充電器。

上海如韻電子有限公司在2007年開發(fā)出LiFePO₄電池充電器集成電路CN3058及CN3059。這兩種充電器IC性能基本相同，其差別是前者最大充電電流I_CH=500mA，而后者是I_CH=1000 mA；前者是8引腳SOP-8封裝（無鉛），后者為10引腳3mmⅹ3mm的DFN封裝（無鉛）。本文介紹CN3058組成的充電器。

(1)  CN3058組成的充電器特點

CN3058是一種單節(jié)LiFePO₄電池以恒流、恒壓充電的線性充電器IC。用該IC組成的充電器主要特點：用一個外設(shè)電阻R_ISET可設(shè)定充電電流，最大充電電流可達(dá)500 mA；輸入電壓4~6V，可采用USB端口或4.5~6V AC/DC適配器供電；充電器電路簡單、外圍元器件少、成本低；對過放電電池（<2.0V）有小電流預(yù)充電模式；內(nèi)部有功率管理電路，若芯片的結(jié)溫超過115℃，自動降低充電電流作過熱保護(hù)，使用戶可設(shè)置較大的充電電流以提高充電效率；有兩個LED分別作充電狀態(tài)指示及充電結(jié)束指示；有輸入電壓低于3.61V時輸出鎖存功能、電池溫度監(jiān)測功能；它還有一個獨特的特點：外設(shè)一個電阻R_VSET，可以增加恒壓充電的電壓。利用這個特點可以充終止充電電壓4.2V的鋰離子電池及可組成簡易的4V鉛酸電池充電器及3節(jié)鎳氫電池充電器。

由CN3059組成的LiFePO₄充電器適合充0.35Ah~2Ah的LiFePO₄電池。其應(yīng)用領(lǐng)域：礦燈、LED應(yīng)急燈、警示燈；車模、船模、航模及電動玩具；在照相機(jī)中，用可充電的LiFePO₄電池（型號為RCR123A）替代一次性鋰電池（型號為CR123A，其尺寸與RCR123A型相同）；通信裝置、便攜式醫(yī)療儀器及野外測試儀器及小型電動工具等。

圖3

 

圖4

 

表1 CN3058的引腳功能

引腳	符號	功   能
1	TEMP	電池溫度檢測輸入端。一般不用此功能，則此端接地
2	USET	恒流充電設(shè)定端。外接一RISET設(shè)定充電電流ICH
3	GND	電池負(fù)端，地
4	VIN	電源正端輸入端，輸入電壓范圍4~6V。此端接—輸入電容10μF到GND（采用多層陶瓷電容）
5	BAT	與電池正極連接，向電池提供恒流、恒壓充電，此端接一個10μF電容到地（采用多層陶瓷電容）
6	DONE	內(nèi)部開漏輸出，外接LED作充電結(jié)束指示。充電結(jié)束，此端為低電平，LED亮
7	CHRG	內(nèi)部開漏輸出，外接LED作充電狀態(tài)指示。電池充電時，LED亮。若電池未裝好，LED閃亮，充電結(jié)束LED滅
8	FB	電池電壓反饋端。電池電壓經(jīng)此端輸入內(nèi)部誤差放大器，根據(jù)電池實際電壓進(jìn)行恒流、恒壓充電。若電池電壓低于2.0V，先按預(yù)充電。

 

(2) 引腳排列與功能

CN3058采用SOP8散熱增強型封裝，其引腳排列如圖3所示，各引腳功能如表1所示。

(3)  500mA恒流充LiFePO₄電池的電路

用CN3058組成的充電電流為500mA的充電器電路如圖4所示。若LiFePO₄的容量為1000mAh，則其充電率為0.5C。該充電器可以由計算機(jī)的USB端口作電源供電，使用十分方便。

電路由輸入電容G_IN及輸出電容C_OUT、LED（紅＂R＂）及LED（綠＂G＂）、充電電流設(shè)定電阻R_ISET組成。因充電電流不大，只要在0~45℃環(huán)境溫度下充電不必檢測電池溫度，所以TEMP端接GND。G_IN、C_OUT電容保證電路穩(wěn)定充電，紅色LED在充電時亮，充電結(jié)束時紅色LED滅而綠色LED亮，表示充電結(jié)束。330Ω為限流電阻。

充電電流I_CH（恒流）與R_ISET的關(guān)系為：

現(xiàn)設(shè)定I_CH=500mA，則代入上式，R_ISET=3.6kΩ電阻R_ISET應(yīng)采用精度±1%的金屬膜1/8W電阻。

 

圖5

 

圖6

 

 

LiFePO₄電池的充電率一般采用0.2~1C范圍。

(4) 可充鋰離子電池或LiFePO₄電池的充電器電路

一種可充鋰離子電池或LiFePO₄電池的充電器電路如圖5所示。與圖4不同之處是在電路中增加了一個單刀雙擲開關(guān)S及電阻R_VSET，開關(guān)打在上端是充3.6V鋰離子電池（其終止充電電壓是4.2V）；開關(guān)打在下端是充LiFePO₄電池。

在充鋰離子電池時，其終止充電電壓V_bat為4.2V，則R_VSET與V_bat的關(guān)系為：

V_bat(V)=3.6V+3.04×10^-6（A）×R_VSET（Ω）

將4.2V代入上式，則R_VSET=197.37kΩ。按標(biāo)準(zhǔn)電阻值取196 kΩ。R_VSET應(yīng)采用±1%精度1/8W電阻。

在充電前要根據(jù)充電電池檢查開關(guān)位置是否正確。

(5) 充3.2V可充電電池（型號為RCR123A）充電器電路

照相機(jī)中有不少是采用2個型號為CR123A的一次性3V鋰電池作電源。現(xiàn)可采用LiFePO₄電池（型號為RCR123A）替代它，容量大、經(jīng)濟(jì)性好。電路如圖6（左半部）所示。圖6（右半部）是充電器上視圖及CR123A的外廊尺寸圖（RCR123A是LiFePO₄電池，尺寸與CR123A相同）。

RCR123A的容量為500~750mAh，采用500mA充電，有較高的效率。

充電器采用4.5V/1200mA的AC/DC適配器（插頭式電源）供電。LED采用雙發(fā)光二極管（陽極），可簡化結(jié)構(gòu)。