磷酸铁锂电池：安全高效的锂离子二次电池，优势显著

磷酸铁锂电池：安全高效的锂离子二次电池，优势显著

磷酸铁锂电池是指采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前大多数锂离子电池使用的正极材料。从材料原理上讲，磷酸铁锂也是一个嵌入和脱嵌的过程，而这个原理和钴酸锂、锰酸锂是完全一样的。

1 简介

磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，主要用途之一是动力电池，相比镍氢、镍镉电池有很大优势。

磷酸铁锂电池充放电效率较高，倍率放电条件下可达90%以上，而铅酸电池在80%左右。

2.八大优势

提高安全性能

磷酸铁锂晶体中的PO键稳定，不易分解，即使在高温或过充时也不会崩塌发热或像钴酸锂一样形成强氧化性物质，因此安全性好。有报道指出，实际操作中，有少部分样品在针刺或短路试验时发现燃烧，但并未发生爆炸。在过充试验中，采用数倍于自身放电电压的高电压进行充电，仍发现爆炸现象。尽管如此，其过充安全性相比普通液态电解质钴酸锂电池已有了很大提高。

提高预期寿命

磷酸铁锂电池是指采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

长寿命铅酸电池循环寿命在300次左右，最高500次，而磷酸铁锂动力电池循环寿命在2000次以上，标准充电（5小时率）可达200​​0次。同等质量的铅酸电池“新半年，旧半年，再维护半年”，最多1到1.5年，而磷酸铁锂电池在同等条件下理论上可以达到7到8年。综合考虑各方面因素，性价比理论上是铅酸电池的4倍以上。大电流放电，可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟即可将电池充满，启动电流可达2C，这是铅酸电池所不具备的。

耐高温性能好

磷酸铁锂电热峰值可以达到350℃-500℃，而锰酸锂、钴酸锂只有200℃左右.使用温度范围宽（-20C--+75C），耐高温 磷酸铁锂电热峰值可以达到350℃-500℃，而锰酸锂、钴酸锂只有200℃左右。

大容量

比普通电池（铅酸等）容量大，单节电池容量5AH-。

无记忆效应

如果充电电池经常充满电但不完全放电，其容量会很快降至额定容量以下。这种现象称为记忆效应。镍氢电池和镍镉电池有记忆性，而磷酸铁锂电池则没有。无论电池处于何种状态，都可以随时充电和使用，而不必在充电前完全放电。

轻的

同规格、同容量的磷酸铁锂电池体积是铅酸电池的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

环保

该电池普遍被认为不含任何重金属和稀有金属（镍氢电池需要稀有金属）、无毒（SGS认证）、无污染，且符合欧洲RoHS法规，是绝对的绿色环保电池。因此锂电池之所以受到业界的青睐，主要还是出于环保方面的考虑。因此该电池在“十五”期间被列入“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入WTO，中国电动自行车出口量将迅速增加，进入欧美的电动自行车被要求配备无污染的电池。

不过，也有专家表示，铅酸电池带来的环境污染主要发生在企业生产过程不规范、回收环节。同样，锂电池在新能源行业发展良好，但也绕不开重金属污染问题。金属材料加工过程中的铅、砷、镉、汞、铬等都可能释放到粉尘和水中。电池本身是化学物质，因此可能造成两类污染：一是生产过程中的工艺废料污染；二是报废后的电池污染。

磷酸铁锂电池也有其缺点：比如低温性能差、正极材料振实密度低，同容量磷酸铁锂电池体积比钴酸锂等锂离子电池大，在微型电池中不占优势。在动力电池中使用时，磷酸铁锂电池与其他电池一样，需要面对电池一致性的问题。

动力电池对比

目前动力锂离子电池正极材料最有前景的是改性锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰酸锂（Li(Ni,Co,Mn)O2）三元材料。由于钴资源匮乏，镍钴成本高，价格波动较大，一般认为镍钴锰酸锂三元材料不太可能成为电动汽车动力锂离子电池的主流，但可以在一定范围内与尖晶石锰酸锂混合使用。

行业应用

碳涂铝箔为锂电池行业带来技术创新和产业升级；

提高锂电池产品的性能，提高放电倍率。

随着国内电池厂商对电池性能的要求越来越高，国内普遍认可的新能源电池材料为：导电材料、导电涂层铝箔、铜箔。

它的优点是：在处理电池材料时，往往具有良好的高倍率充放电性能和较大的比容量，但由于循环稳定性差，衰减严重，而不得不放弃。

这是一种神奇的涂层，它将提高电池性能，并将其带入一个新时代。

导电涂料是由分散的纳米导电石墨包覆颗粒组成，可提供优异的静电传导性，是保护性的能量吸收层，同时提供良好的遮盖和保护性能。涂料有水性和溶剂型，可应用于铝、铜、不锈钢、铝和钛双极板。

碳涂层通过以下方式改善锂电池的性能：

1、降低电池内阻，抑制充放电循环过程中动态内阻的增加；

2、大幅提高电池组的一致性，降低电池组成本；

3、提高活性物质与集流体之间的结合力，降低极片的制造成本；

4.降低极化，提高倍率性能，降低热效应；

5、防止电解液腐蚀集流体；

6、综合因素，延长电池寿命；

7.涂层厚度：常规单面厚度1～3μm。

近年来，日本、韩国主要以改性锰酸锂、镍钴锰酸锂三元材料作为正极材料发展动力锂离子电池，如丰田与松下、日立、索尼、新神户电机、NEC、三洋电机、三星、LG等合资成立的EV能源公司。美国主要以磷酸铁锂作为正极材料发展动力锂离子电池，如A123系统公司，但美国各大汽车厂商在其PHEV、EV车型中均选用锰基正极材料体系动力锂离子电池，据称美国A123公司正考虑进入锰酸锂材料领域；而德国等欧洲国家主要采用与其他国家电池企业合作的方式发展电动汽车，如戴姆勒奔驰与法国Saft联盟、德国大众与日本三洋达成协议合作。目前德国大众、法国雷诺等也在本国政府的支持下发展和生产动力锂离子电池。

3.缺点

一种材料是否具备应用发展潜力，除了关注其优点之外，更关键的是该材料是否存在根本性的缺陷。

目前，磷酸铁锂在国内被广泛选为动力锂离子电池正极材料，政府、科研机构、企业甚至券商等市场分析人士均看好该材料，将其视为动力锂离子电池的发展方向。其原因主要有两点：一是受美国研发方向的影响，美国及A123公司率先采用磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料；二是国内尚未制备出用于动力锂离子电池的高温循环及储存性能良好的锰酸锂材料。但磷酸铁锂也有着不可忽视的根本性缺陷，总结起来有以下几点：

1、磷酸铁锂制备过程中烧结过程中，氧化铁在高温还原气氛下可能被还原为单质铁。单质铁会造成电池微短路，是电池中最忌讳的物质。这也是日本一直没有将该材料用作动力锂离子电池正极材料的主要原因。

2、磷酸铁锂存在一些性能缺陷，比如振实密度和压实密度较低，导致锂离子电池的能量密度较低。低温性能较差，即使是纳米和碳包覆材料也不能解决这个问题。美国阿贡国家实验室储能系统中心主任Don博士在谈到磷酸铁锂电池的低温性能时，曾用它来描述，他们对磷酸铁锂电池的测试结果显示，磷酸铁锂电池在低温下（0℃以下）无法驱动电动汽车。虽然有些厂家宣称磷酸铁锂电池在低温下的容量保持率还不错，但那是在放电电流很小，放电截止电压很低的情况下，设备根本无法启动工作。

3、材料制备成本及电池制造成本高，电池成品率低，一致性差。磷酸铁锂的纳米化和碳包覆虽然提高了材料的电化学性能，但也带来了其他问题，如能量密度降低、合成成本增加、电极加工性能差、环保要求严格等。虽然磷酸铁锂中的化学元素Li、Fe、P非常丰富，成本低廉，但制备出来的磷酸铁锂产品成本并不低。即使除去前期研发成本，材料的工艺成本加上制备电池的较高成本，也会使得最终的单位储能成本更高。

4、产品一致性差。目前国内尚无一家磷酸铁锂材料厂能解决这一问题。从材料制备角度看，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，有固体磷酸盐、氧化铁和锂盐，再加上碳前驱体和还原气相。在这个复杂的反应过程中，很难保证反应的一致性。

5、知识产权问题。磷酸铁锂最早的专利申请由FX & OHG(DE)于1993年6月25日获得，同年8月19日公布申请结果。磷酸铁锂的基础专利为德州大学所有，碳包覆专利则由加拿大人申请。这两项基础专利无法规避，若将专利使用费计入成本，将进一步增加产品成本。

此外，从锂离子电池研发生产经验来看，日本是最早实现锂离子电池商业化的国家，一直占据着高端锂离子电池市场。美国虽然在一些基础研究上领先，但尚未出现大型锂离子电池生产厂家，因此日本选择锰酸锂作为动力锂离子电池正极材料更有意义。即便在美国，也有一半的厂家采用磷酸铁锂和锰酸锂作为动力锂离子电池正极材料，联邦政府也同时支持这两种体系的研发。鉴于磷酸铁锂的上述问题，其难以在新能源汽车等领域广泛作为动力锂离子电池正极材料使用。如果能够解决锰酸锂高温循环储存性能差的问题，其凭借低成本、高倍率性能的优势，在动力锂离子电池中有着巨大的应用潜力。

4、工作原理及特点磷酸铁锂电池的全称是磷酸铁锂离子电池，这个名字太长，所以简称磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适合做动力用途，所以在名称中加上“动力”二字，也就是磷酸铁锂动力电池。也有人称之为“锂铁（LiFe）动力电池”。

意义

在金属交易市场上，钴（Co）是最贵的，储存量也有限，镍（Ni）和锰（Mn）相对便宜，铁（Fe）最便宜，正极材料的价格也和这些金属的价格一致，所以用正极材料制成的锂离子电池应该是最便宜的，它的另一个特点就是不污染环境。

对充电电池的要求有：容量高、输出电压高、充放电循环性能好、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定、使用安全（不会因过充、过放、短路等操作不当而引起燃烧、爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。作为正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上表现良好，尤其在高放电率放电（5-10C放电）、放电电压稳定、安全性（不燃烧、不爆炸）、寿命（循环次数）、对环境无污染等方面表现最好，是目前最好的大电流输出动力电池。

结构及工作原理

电池内部结构是橄榄石结构作为电池正极，通过铝箔与电池正极相连。中间是聚合物隔膜，将正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过，电子e-则不能。右边是碳（石墨）构成的电池负极，通过铜箔与电池负极相连。电池上下两端之间是电池的电解液，电池被金属外壳密封。

电池充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池因在充电和放电过程中锂离子来回迁移而得名。

主要性能

电池的标称电压为3.2V，充电终止电压为3.6V，放电终止电压为2.0V。由于各个厂家所采用的正负极材料、电解液材料的质量和工艺不同，导致其性能会存在一定的差异。例如，同一型号的电池（同一封装的标准电池）的容量就相差较大（10%~20%）。

这里需要注意的是，不同厂生产的磷酸铁锂动力电池的性能参数会有些差异；另外还有一些电池性能没有包括，比如电池内阻、自放电率、充放电温度等。

磷酸铁锂动力电池的容量差异很大，可分为三类：小型的几十分之一到几毫安时，中型的几十毫安时，大型的几百毫安时。不同类型电池的相同参数也存在一些差异。目前应用最为广泛的小型标准圆柱型封装磷酸铁锂动力电池的参数为：直径18mm，高度650mm（型号18650）。

过放电至零电压测试

使用（）的磷酸铁锂动力电池进行放电至零电压测试。测试条件：以0.5C充电率将电池充满电，再以1.0C放电率放电至电池电压为0C。放电至0V的电池随后分为两组：一组储存7天，另一组储存30天；储存期满后，以0.5C充电率充满电，再以1.0C放电率放电。最后比较两次零电压储存期的差异。

检测结果显示，电池零电压储存七天后，无漏液、性能良好、容量100%；储存30天后，无漏液、性能良好、容量98%；储存30天后，电池再进行三次充放电循环，容量又恢复到100%。

此项测试表明，即使电池过度放电（甚至放电至0V）并存放一定时间，电池也不会漏液或损坏。这是其他类型锂离子电池所不具备的特性。

磷酸铁锂电池特点

通过以上介绍，该电池可以概括为以下几种特性。

高效输出：标准放电2-5C，持续大电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；

高温性能好：外部温度65℃时，内部温度高达95℃，电池放电时温度可达160℃，电池结构安全完好；

即使电池内部或外部受到损坏，也不会燃烧或爆炸，最安全；

循环寿命优异，经过500次循环后，其放电容量仍大于95%；

即使过度放电至零伏也不会损坏；

快速充电；

低成本;

对环境无污染。

磷酸铁锂动力电池应用

由于磷酸铁锂动力电池具备上述特点，并由此生产出各种不同容量的电池，因此很快得到广泛的应用。其主要应用领域为：

大型电动汽车：大巴车、电动汽车、旅游景点公交车及混合动力汽车等；

轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、叉车、清洁车、电动轮椅等；

电动工具：电钻、电锯、割草机等；

遥控车、船、飞机等玩具；

太阳能、风能发电储能设备；

UPS及应急灯、警示灯、矿灯（最安全）；

替代相机中的3V一次性锂电池和9V镍镉或镍氢充电电池（尺寸完全相同）；

小型医疗仪器及便携式仪器等。

这里举一个用磷酸铁锂动力电池替代铅酸电池的例子，一块36V/10Ah（360Wh）的铅酸电池重量为12kg，一次充电可行驶约50km，可充电约100次，使用寿命约1年。如果用磷酸铁锂动力电池，同样360Wh能量（12块10Ah电池串联），重量约4kg，一次充电可行驶约80km，可充电1000次，使用寿命3~5年。虽然磷酸铁锂动力电池的价格比铅酸电池高很多，但总体经济效果还是用磷酸铁锂动力电池好，使用起来也更轻便。

5.电池性能

锂离子动力电池的性能主要取决于正负极材料。磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的，国内开发大容量磷酸铁锂电池是在2005年7月。其安全性能和循环寿命是其它材料无法比拟的，也是动力电池最重要的技术指标。1C充放电循环寿命高达2000次，单体电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料使大容量锂离子电池更易于串联使用，满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原料来源广、价格低廉、寿命长等优点，是新一代锂离子电池理想的正极材料。

该项目属于高技术项目中的功能能源材料开发，是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。

锂离子电池正极采用磷酸铁锂材料，在安全性能和循环寿命方面有很大优势，这也是动力电池最重要的技术指标之一。1C充放电循环寿命可达200​​0次，而且刺破不会爆炸，过充也不容易燃烧爆炸。采用磷酸铁锂正极材料制成的大容量锂离子电池更易于并联、串联使用。

6. 科研应用

磷酸铁锂电池

近期有报道称有望取代传统锂电池的新型电池取得进展，让我们看到了手机和平板电脑拥有更长续航时间的希望。可惜的是，它们大多还停留在实验室研究阶段，何时甚至能否投入大规模商用都很难说。

在TEC.GmbH发布的磷酸铁锂电池技术白皮书中，采用复合纳米材料后，单个32650规格（32mm直径/65mm长度）电芯的能量密度可提升至，与目前业界32650规格单体电芯相比，相同体积提升高达20%，一块电芯可以为一部4S手机充电近4次。

更让人兴奋的是，在单次低倍率充放电环境下使用，这款电池在长达 3000 次循环使用后，仍能维持约 80% 的电量，而普通锂电池在 500 次左右循环后才能做到这一点。以每 3 天充放电一次计算，可连续使用 24 年，是名副其实的长寿命电池。

这一新型电池技术可广泛应用于便携式移动电源、小型UPS、笔记本电脑电池、汽车电池等各类设备。此外，针对不同的使用环境，TEC.GmbH还根据循环充电次数采用不同的电芯颜色：金色为军用级，循环次数为3000次；蓝色为民用汽车领域，循环次数为2500次；绿色，循环次数为2000次，适用于小型便携式移动设备。