細數磷酸鐵鋰電池的優缺點

05-07

前段時間在休息，故而沒有更新文章，今天主要想講一下磷酸鐵鋰電池。

1介紹

磷酸鐵鋰電池，全稱磷酸鐵鋰鋰離子電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，這裡講一下行業內的電池命名規則，現階段，我們通常用正極材料來給電池命名，負極一般都是用石墨做負極，如三元電池，指的是用做正極材料的NCM或NCA，鈷酸鋰電池，則是用作正極材料的鈷酸鋰，同樣，磷酸鐵鋰則是指用於正極的磷酸鐵鋰材料。

鋰離子電池的正極為磷酸鐵鋰材料，其安全性能與循環壽命有較大優勢，這些也正是動力電池最重要的技術指標之一。1C充放循環壽命可做到2000次，穿刺不爆炸，過充時不容易燃燒和爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易並串聯使用。從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入、脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰完全相同。

和鉛酸電池比起來，他有著良好的壽命，鉛酸電池一般1-1.5年；和鎳氫電池比起來，他有著更高的工作電壓；和鎳鎘電池比起來，他有著更好的環境友好性，這也是磷酸鐵鋰戰勝這些電池，掀起一陣鋰電風暴的重要原因，雖然現階段，三元電池的流行，但是由於三元電池存在高能量密度下難以控制的安全性問題，磷酸鐵鋰電池還處於大規模應用之中，不過，國內電池企業正在把磷酸鐵鋰電池向大型化發展，採取用高容量磷酸鐵鋰電池（100AH，甚至200AH的電池）。

2優勢

磷酸鐵鋰電池的主要優勢：

安全性能高

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，磷酸鐵鋰分解溫度約在600℃，因此擁有良好的安全性。雖然在過充情況下，出現過燃燒和爆炸，但其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池、三元電池，已大有改善。

長壽命

鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高約500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環壽命達到2000次以上，標準充電(0.2C,5小時)使用，可達到2000次。同質量的鉛酸電池則是「新半年、舊半年、修修補補又半年」，最多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，起動電流可達2C,而鉛酸電池無此性能。

高溫性能好

磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度範圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

容量大

具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量，通過電池的能力密度就知道，鉛酸電池的能量密度約在40WH/kg，市場上主流的磷酸鐵鋰電池，能量密度均做到90WH/kg以上。

無記憶效應

可充電池在經常處於充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低於額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象（鋰離子類電池一般沒有記憶效應），電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

重量輕

同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3，二能量密度卻是鉛酸電池的數倍。

環境友好

該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規定，為綠色環保電池。鋰電池之所以被業界看好，一個重要的原因是環保考量。

但有一點請正視，鋰電池屬於新能源行業不錯，但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學物質，所以有可能會產生兩種污染：一是生產工程中的工藝排泄物污染；二是報廢以後的電池污染。

其他材料對比

目前最有希望應用於動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由於鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定範圍內混合使用。

3缺點

磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大於鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢。而用於動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。

單質鐵的威脅

在磷酸鐵鋰製備時的燒結過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質鐵的可能性。單質鐵會引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因。

性能缺陷

磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。磷酸鐵鋰型鋰離子電池測試結果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無法使電動汽車行駛。儘管也有廠家宣稱磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯，但是那是在放電電流較小和放電截止電壓很低的情況下，在這種狀況下，設備根本就無法啟動工作。

製造成本高

材料的製備成本與電池的製造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆儘管提高了材料的電化學性能，但是也帶來了其它問題，如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環境要求苛刻等問題。儘管磷酸鐵鋰中的化學元素Li，Fe與P很豐富，成本也較低，但是製備出的磷酸鐵鋰產品成本並不低，即使去掉前期的研發成本，該材料的工藝成本加上較高的製備電池的成本，會使得最終單位儲能電量的成本較高。

一致性差

產品一致性差。無論是從材料製備，還是從生產製造。都很難保證產品的一致性，且磷酸鐵鋰的電壓平台較窄，更增加了電池的可觀測性難度。

知識產權問題

很遺憾的告訴你，磷酸鐵鋰的基礎專利被美國德州大學所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎性專利是無法繞過去的，如果成本中計算上專利使用費的話，那產品成本將會進一步提高。

4結構和原理

LiFePO4電池的內部結是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，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。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。一般來講，LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。

磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。有應用於18650圓柱電池的，也有應用於方形電池的。

5應用

由於磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，並且生產出各種不同容量的電池，得到了廣泛地應用。它主要應用領域有：

大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點遊覽車及混合動力車等；

輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等；

電動工具：電鑽、電鋸、割草機等；

遙控汽車、船、飛機等玩具；

太陽能及風力發電的儲能設備；

UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；

替代照相機中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池(尺寸完全相同)；

小型醫療儀器設備及攜帶型儀器等。

通過本文，相比你也看到，磷酸鐵鋰電池作為鋰電池界曾經的黑馬，方興未艾，個人認為，現階段汽車還處於大面積應用階段，逐漸會進入電動車（電動自行車）和儲能市場（儲能電站，通訊基站），進入可穿戴領域的可能性不大。但是其能量密度、低溫性能等，已經慢慢不能滿足市場的需求，到底是新一輪的復興，還是被三元材料、全固態電池所淘汰，歡迎你我共同交流。

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