磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池
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中文名;磷酸鐵鋰電池外文名;Lithium iron phosphate Battery 化學式;LiFePO4 電壓;3.2V

磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。

充電過程中，磷酸鐵鋰中的部分鋰離子脫出，經電解質傳遞到負極，嵌入負極碳材料；同時從正極釋放出電子，自外電路到達負極，維持化學反應的平衡。放電過程中，鋰離子自負極脫出，經電解質到達正極，同時負極釋放電子，自外電路到達正極，為外界提供能量。

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應的優點。^[1]

簡介

在LiFePO4的晶體結構中，氧原子呈六方緊密堆積排列。PO43-四面體和FeO6八面體構成晶體的空間骨架，Li和Fe占據八面體空隙，而P占據四面體空隙，其中Fe占據八面體的共角位置，Li占據八面體的共邊位置。FeO6八面體在晶體的bc面上相互連接，b軸方向上的LiO6八面體結構相互連接成鏈狀結構。1個FeO6八面體與2個LiO6八面體和1個PO43-四面體共棱。

由於FeO6共邊八面體網絡不連續，致使不能形成電子導電；同時，PO43-四面體限制了晶格的體積變化，影響了Li+的脫嵌和電子擴散，導致LiFePO4正極材料電子導電率和離子擴散效率極低。

LiFePO4電池的理論比容量較高（約為170mAh/g），放電平台是3.4V。Li+在正負兩極之間往返脫-嵌實現充放電，充電時發生氧化反應，Li+從正極遷出，經電解液嵌入負極，鐵從Fe2+變成Fe3+，發生氧化反應。

電池結構特點

磷酸鐵鋰電池左邊是橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極，由鋁箔與電池正極連接。右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

電池充放電原理

磷酸鐵鋰電池的充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。

電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然後穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，而後嵌入石墨晶格中。

與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，再經導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌後，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵。

電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，然後穿過隔膜，經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然後重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。

與此同時，電子經導電體流向負極的銅箔集電極，經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體後，磷酸鐵轉化為磷酸鐵鋰。

據報道，2018年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在160Wh/kg左右，2019年一些優秀的電池廠家大概能做到175-180Wh/kg的水平，個別厲害的廠家採用疊片工藝、容量做得大些，或能做到185Wh/kg。

安全性能好

磷酸鐵鋰電池正極材料電化學性能比較穩定，這決定了它具有着平穩的充放電平台，因此，在充放電過程中電池的結構不會發生變化，不會燃燒爆炸，並且即使在短路、過充、擠壓、針刺等特殊條件下，仍然是非常安全的。

循環壽命長

磷酸鐵鋰電池1C循環壽命普遍達2000次，甚至達到3500次以上，而對於儲能市場要求達到4000-5000次以上，保證8-10年的使用壽命，高於三元電池1000多次的循環壽命，而長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右。

磷酸鐵鋰的合成

磷酸鐵鋰的合成工藝已基本完善，主要分為固相法和液相法。其中以高溫固相反應法最為常用，也有研究者將固相法中的微波合成法及液相法中的水熱合成法結合使用——微波水熱法。

另外，磷酸鐵鋰的合成方法還包括仿生法、冷卻乾燥法、乳化乾燥法、脈衝激光沉積法等，通過選擇不同的方法，合成粒度小、分散性能好的產物，可以有效縮短Li+的擴散路徑，兩相間的接觸面積增大，Li+的擴散速度加快。

我國《節能與新能源汽車產業發展規劃》中提出「我國新能源汽車發展的總體目標是：到2020年，新能源汽車累計產銷量達到500萬輛，我國節能與新能源汽車產業規模位居世界前列」。磷酸鐵鋰電池由於其在安全性好、成本低等優點廣泛應用於乘用車、客車、物流車、低速電動車等，雖然，在當前新能源乘用車領域，受國家對新能源汽車補貼政策影響，憑藉能量密度的優勢，三元電池占據着主導地位，但是磷酸鐵鋰電池仍在客車、物流車等領域占據不可替代的優勢。客車領域，磷酸鐵鋰電池在2018年第5批、第6批、第7批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》（以下簡稱《目錄》）中占比約為76%、81%、78%，依舊保持主流。專用車領域，磷酸鐵鋰電池在2018年第5批、第6批、第7批《目錄》中占比分別約30%、32%、40%，應用比例逐步增加。

中國工程院院士楊裕生認為，將磷酸鐵鋰電池用於增程式電動汽車市場，不但能提高車輛的安全性，還能支持增程式電動汽車的市場化，免除純電動汽車的里程、安全、價格、充電、後續電池問題等焦慮。在2007 年-2013年期間，許多車企都上馬了增程式純電動汽車的項目。

啟動電源上的應用

啟動型磷酸鐵鋰電池除具備動力鋰電池特性外，還具備瞬間大功率輸出能力，用能量小於一度電的功率型鋰電池代替傳統的鉛酸電池，用BSG電機代替傳統的啟動電機和發電機，不但具有怠速啟停功能，還具有發動機停機滑行、滑行與制動能量回收、加速助力和電巡航功能。

儲能市場的應用

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應、綠色環保等一系列獨特優點，並且支持無級擴展，適合於大規模電能儲存，在可再生能源發電站發電安全併網、電網調峰、分布式電站、UPS電源、應急電源系統等領域有着良好的應用前景。

根據國際市場研究機構GTM Research近日發布的最新儲能報告顯示，2018年中國的電網側儲能項目的應用卻使磷酸鐵鋰電池用量持續增加。

隨着儲能市場的興起，近年來，一些動力電池企業紛紛布局儲能業務，為磷酸鐵鋰電池開拓新的應用市場。一方面，磷酸鐵鋰由於超長壽命、使用安全、大容量、綠色環保等特點，可向儲能領域轉移將會延長價值鏈條，推動全新商業模式的建立。另一方面，磷酸鐵鋰電池配套的儲能系統已經成為市場的主流選擇。據報告，磷酸鐵鋰電池已經嘗試用於電動公交車、電動卡車、用戶側以及電網側調頻。

1風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全併網。風力發電自身所固有的隨機性、間歇性和波動性等特徵，決定了其規模化發展必然會對電力系統安全運行帶來顯著影響。隨着風電產業的快速發展，特別是我國的多數風電場屬於「大規模集中開發、遠距離輸送」，大型風力發電場併網發電對大電網的運行和控制提出了嚴峻挑戰。

光伏發電受環境溫度、太陽光照強度和天氣條件的影響，光伏發電呈現隨機波動的特點。我國呈現出「分散開發，低電壓就地接入」和「大規模開發，中高電壓接入」並舉的發展態勢，這就對電網調峰和電力系統安全運行提出了更高要求。

因此，大容量儲能產品成為解決電網與可再生能源發電之間矛盾的關鍵因素。磷酸鐵鋰電池儲能系統具有工況轉換快、運行方式靈活、效率高、安全環保、可擴展性強等特點，在國家風光儲輸示範工程中開展了工程應用，將有效提高設備效率，解決局部電壓控制問題，提高可再生能源發電的可靠性和改善電能質量，使可再生能源成為連續、穩定的供電電源。

隨着容量和規模的不斷擴大，集成技術的不斷成熟，儲能系統成本將進一步降低，經過安全性和可靠性的長期測試，磷酸鐵鋰電池儲能系統有望在風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全併網及提高電能質量方面得到廣泛應用。

2電網調峰。電網調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由於抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，維護成本高。採用磷酸鐵鋰電池儲能系統取代抽水蓄能電站，應對電網尖峰負荷，不受地理條件限制，選址自由，投資少、占地少，維護成本低，在電網調峰過程中將發揮重要作用。

3分布式電站。大型電網自身的缺陷，難以保障電力供應的質量、效率、安全可靠性要求。對於重要單位和企業，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。磷酸鐵鋰電池儲能系統可以減少或避免由於電網故障和各種意外事件造成的斷電，在保證醫院、銀行、指揮控制中心、數據處理中心、化學材料工業和精密製造工業等安全可靠供電方面發揮重要作用。

4UPS電源。中國經濟的持續高速發展帶來的UPS電源用戶需求分散化，使得更多的行業和更多的企業對UPS電源產生了持續的需求。

磷酸鐵鋰電池相對於鉛酸電池，具有循環壽命長、安全穩定、綠色環保、自放電率小等優點，隨着集成技術的不斷成熟，成本的不斷降低，磷酸鐵鋰電池在UPS電源蓄電池方面將得到廣泛應用。

其他領域的應用

磷酸鐵鋰電池因其良好的循環使用壽命、安全性、低溫性能等優勢，在軍事領域也得到的廣泛的應用。2018 年10月10日，山東某電池企業強勢亮相首屆青島軍民融合科技創新成果展，展出了包括-45℃軍用超低溫電池等軍工產品。