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磷酸铁锂电池

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中文名;磷酸铁锂电池 外文名;Lithium iron phosphate Battery 化学式;LiFePO4 电压;3.2V

磷酸铁锂电池，是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6V~3.65V。

充电过程中，磷酸铁锂中的部分锂离子脱出，经电解质传递到负极，嵌入负极碳材料；同时从正极释放出电子，自外电路到达负极，维持化学反应的平衡。放电过程中，锂离子自负极脱出，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外电路到达正极，为外界提供能量。

磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。

简介

在LiFePO4的晶体结构中，氧原子呈六方紧密堆积排列。PO43-四面体和FeO6八面体构成晶体的空间骨架，Li和Fe占据八面体空隙，而P占据四面体空隙，其中Fe占据八面体的共角位置，Li占据八面体的共边位置。FeO6八面体在晶体的bc面上相互连接，b轴方向上的LiO6八面体结构相互连接成链状结构。1个FeO6八面体与2个LiO6八面体和1个PO43-四面体共棱。

由于FeO6共边八面体网络不连续，致使不能形成电子导电；同时，PO43-四面体限制了晶格的体积变化，影响了Li+的脱嵌和电子扩散，导致LiFePO4正极材料电子导电率和离子扩散效率极低。

LiFePO4电池的理论比容量较高（约为170mAh/g），放电平台是3.4V。Li+在正负两极之间往返脱-嵌实现充放电，充电时发生氧化反应，Li+从正极迁出，经电解液嵌入负极，铁从Fe2+变成Fe3+，发生氧化反应。

电池结构特点

磷酸铁锂电池左边是橄榄石结构的LiFePO4材料构成的正极，由铝箔与电池正极连接。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。中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。电池内部充有电解质，电池由金属外壳密闭封装。

电池充放电原理

磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。

电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨晶格中。

与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳流向电池负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁。

电池放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。

与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。锂离子嵌入到磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂。

据报道，2018年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在160Wh/kg左右，2019年一些优秀的电池厂家大概能做到175-180Wh/kg的水平，个别厉害的厂家采用叠片工艺、容量做得大些，或能做到185Wh/kg。

安全性能好

磷酸铁锂电池正极材料电化学性能比较稳定， 这决定了它具有着平稳的充放电平台，因此，在充放电过程中电池的结构不会发生变化，不会燃烧爆炸，并且即使在短路、过充、挤压、针刺等特殊条件下，仍然是非常安全的。

循环寿命长

磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达2000次，甚至达到3500次以上，而对于储能市场要求达到4000-5000次以上，保证8-10年的使用寿命，高于三元电池1000多次的循环寿命，而长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右。

磷酸铁锂的合成

磷酸铁锂的合成工艺已基本完善，主要分为固相法和液相法。其中以高温固相反应法最为常用，也有研究者将固相法中的微波合成法及液相法中的水热合成法结合使用——微波水热法。

另外，磷酸铁锂的合成方法还包括仿生法、冷却干燥法、乳化干燥法、脉冲激光沉积法等，通过选择不同的方法，合成粒度小、分散性能好的产物，可以有效缩短Li+的扩散路径，两相间的接触面积增大，Li+的扩散速度加快。

我国《节能与新能源汽车产业发展规划》中提出“我国新能源汽车发展的总体目标是：到2020年，新能源汽车累计产销量达到500万辆，我国节能与新能源汽车产业规模位居世界前列”。磷酸铁锂电池由于其在安全性好、成本低等优点广泛应用于乘用车、客车、物流车、低速电动车等，虽然，在当前新能源乘用车领域，受国家对新能源汽车补贴政策影响，凭借能量密度的优势，三元电池占据着主导地位，但是磷酸铁锂电池仍在客车、物流车等领域占据不可替代的优势。客车领域，磷酸铁锂电池在2018年第5批、第6批、第7批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》（ 以下简称《目录》）中占比约为76%、81%、78%，依旧保持主流。专用车领域，磷酸铁锂电池在2018年第5批、第6批、第7批《目录》中占比分别约30%、32%、40%，应用比例逐步增加。

中国工程院院士杨裕生认为，将磷酸铁锂电池用于增程式电动汽车市场，不但能提高车辆的安全性，还能支持增程式电动汽车的市场化，免除纯电动汽车的里程、安全、价格、充电、后续电池问题等焦虑。在2007 年-2013年期间，许多车企都上马了增程式纯电动汽车的项目。

启动电源上的应用

启动型磷酸铁锂电池除具备动力锂电池特性外，还具备瞬间大功率输出能力，用能量小于一度电的功率型锂电池代替传统的铅酸电池，用BSG电机代替传统的启动电机和发电机，不但具有怠速启停功能，还具有发动机停机滑行、滑行与制动能量回收、加速助力和电巡航功能。

储能市场的应用

磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优点，并且支持无级扩展，适合于大规模电能储存，在可再生能源发电站发电安全并网、电网调峰、分布式电站、UPS电源、应急电源系统等领域有着良好的应用前景。

根据国际市场研究机构GTM Research近日发布的最新储能报告显示，2018年中国的电网侧储能项目的应用却使磷酸铁锂电池用量持续增加。

随着储能市场的兴起，近年来，一些动力电池企业纷纷布局储能业务，为磷酸铁锂电池开拓新的应用市场。一方面，磷酸铁锂由于超长寿命、使用安全、大容量、绿色环保等特点，可向储能领域转移将会延长价值链条，推动全新商业模式的建立。另一方面，磷酸铁锂电池配套的储能系统已经成为市场的主流选择。据报告，磷酸铁锂电池已经尝试用于电动公交车、电动卡车、用户侧以及电网侧调频。

1风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网。风力发电自身所固有的随机性、间歇性和波动性等特征，决定了其规模化发展必然会对电力系统安全运行带来显著影响。随着风电产业的快速发展，特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送”，大型风力发电场并网发电对大电网的运行和控制提出了严峻挑战。

光伏发电受环境温度、太阳光照强度和天气条件的影响，光伏发电呈现随机波动的特点。我国呈现出“分散开发，低电压就地接入”和“大规模开发，中高电压接入”并举的发展态势，这就对电网调峰和电力系统安全运行提出了更高要求。

因此，大容量储能产品成为解决电网与可再生能源发电之间矛盾的关键因素。磷酸铁锂电池储能系统具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、可扩展性强等特点，在国家风光储输示范工程中开展了工程应用，将有效提高设备效率，解决局部电压控制问题，提高可再生能源发电的可靠性和改善电能质量，使可再生能源成为连续、稳定的供电电源。

随着容量和规模的不断扩大，集成技术的不断成熟，储能系统成本将进一步降低，经过安全性和可靠性的长期测试，磷酸铁锂电池储能系统有望在风力发电、光伏发电等可再生能源发电安全并网及提高电能质量方面得到广泛应用。

2电网调峰。电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。采用磷酸铁锂电池储能系统取代抽水蓄能电站，应对电网尖峰负荷，不受地理条件限制，选址自由，投资少、占地少，维护成本低，在电网调峰过程中将发挥重要作用。

3分布式电站。大型电网自身的缺陷，难以保障电力供应的质量、效率、安全可靠性要求。对于重要单位和企业，往往需要双电源甚至多电源作为备份和保障。磷酸铁锂电池储能系统可以减少或避免由于电网故障和各种意外事件造成的断电，在保证医院、银行、指挥控制中心、数据处理中心、化学材料工业和精密制造工业等安全可靠供电方面发挥重要作用。

4UPS电源。中国经济的持续高速发展带来的UPS电源用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS电源产生了持续的需求。

磷酸铁锂电池相对于铅酸电池，具有循环寿命长、安全稳定、绿色环保、自放电率小等优点，随着集成技术的不断成熟，成本的不断降低，磷酸铁锂电池在UPS电源蓄电池方面将得到广泛应用。

其他领域的应用

磷酸铁锂电池因其良好的循环使用寿命、安全性、低温性能等优势，在军事领域也得到的广泛的应用。2018 年10月10日，山东某电池企业强势亮相首届青岛军民融合科技创新成果展，展出了包括-45℃军用超低温电池等军工产品。

磷酸铁锂电池储能系统

磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、绿色环保等一系列独特优点，并且支持无级扩展，组成储能系统后可进行大规模电能储存。磷酸铁锂电池储能系统由磷酸铁锂电池组、电池管理系统（Battery Management System，BMS）、换流装置（整流器、逆变器）、中央监控系统、变压器等组成。

充电阶段，间歇式电源或电网为储能系统进行充电，交流电经过整流器后整流为直流电向储能电池模块进行充电，储存能量；放电阶段，储能系统向电网或负载进行放电，储能电池模块的直流电经过逆变器逆变为交流电，通过中央监控系统控制逆变输出，可实现向电网或负载提供稳定功率输出。

参考来源

有车百科——磷酸铁锂电池