磷酸鐵鋰離子電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料重要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。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。

介紹

磷酸鐵鋰離子電池屬于鋰離子二次電池，一個(gè)重要用途是用作動(dòng)力鋰電池，相對(duì)NI-MH、Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢(shì)。

磷酸鐵鋰離子電池充放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達(dá)90%以上。而鉛酸電池約為80%。

七大優(yōu)勢(shì)

1.安全性能的改善

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰相同結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。有報(bào)告指出，實(shí)際操作中針刺或短路實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件，而過充實(shí)驗(yàn)中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰離子電池，已大有改善。

2、壽命的改善

長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用，可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年，最多也就1~1.5年時(shí)間，而磷酸鐵鋰離子電池在同樣條件下使用，理論壽命將達(dá)到7~8年。綜合考慮，性能價(jià)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(nèi)即可使電池充滿，起動(dòng)電流可達(dá)2C,而鉛酸電池?zé)o此性能。

3、高溫性能好

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

4、大容量

具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量。5AH-1000AH（單體）

5、無記憶效應(yīng)

可充電池在經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰離子電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。

6、重量輕

同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰離子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。

7、環(huán)保

該電池一般被認(rèn)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(rèn)證通過），無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池證。所以鋰離子電池之所以被業(yè)界看好，重要是環(huán)保考量，因此該電池又列入了十五期間的863國家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。隨著我國加入WTO，我國電動(dòng)自行車的出口量將迅速增大，而進(jìn)入歐美的電動(dòng)自行車已要求配備無污染電池。

磷酸鐵鋰離子電池也有其缺點(diǎn)：例如低溫性能差，正極材料振實(shí)密度小，等容量的磷酸鐵鋰離子電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì)。而用于動(dòng)力鋰電池時(shí)，磷酸鐵鋰離子電池和其他電池相同，要面對(duì)電池一致性問題。

動(dòng)力鋰電池的比較

目前最有希望應(yīng)用于動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料重要有改性錳酸鋰（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于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價(jià)格波動(dòng)大等原因，普遍認(rèn)為很難成為電動(dòng)汽車用動(dòng)力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內(nèi)混合使用。

行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展

由于磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰電池具有上述特點(diǎn)，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它重要應(yīng)用領(lǐng)域有：

大型電動(dòng)汽車輛：公交車、電動(dòng)汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動(dòng)力車等；

輕型電動(dòng)汽車：電動(dòng)自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動(dòng)輪椅等；

電動(dòng)工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等；

遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具；

太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備；

UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈（安全性最好）；

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

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

日本和韓國近幾年重要開發(fā)以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動(dòng)力型鋰離子電池，如豐田和松下合資成立的PanasonicEV能源公司、日立、索尼、新神戶電機(jī)、NEC、三洋電機(jī)、三星以及LG等。美國重要開發(fā)以磷酸鐵鋰為正極材料的動(dòng)力型鋰離子電池，如A123系統(tǒng)公司、Valence公司，但美國的重要汽車廠家在其PHEV與EV中卻選擇錳基正極材料體系動(dòng)力型鋰離子電池，并且據(jù)說美國A123公司在考慮進(jìn)軍錳酸鋰材料領(lǐng)域，而德國等歐洲國家重要采取和其它國家電池公司合作的方式發(fā)展電動(dòng)汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft聯(lián)盟、德國大眾與日本三洋協(xié)議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發(fā)和生產(chǎn)動(dòng)力型鋰離子電池。

缺點(diǎn)

一種材料是否具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ岁P(guān)注其優(yōu)點(diǎn)外，更為關(guān)鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。

國內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機(jī)構(gòu)、公司甚至是證券公司等市場(chǎng)分析員都看好這一材料，將其作為動(dòng)力型鋰離子電池的發(fā)展方向。分析其原因，重要有下列兩點(diǎn)：首先是受到美國研發(fā)方向的影響，美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內(nèi)一直沒有制備出可供動(dòng)力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能的錳酸鋰材料。但磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，歸結(jié)起來重要有以下幾點(diǎn)：

1

在磷酸鐵鋰制備時(shí)的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。這也是日本一直不將該材料作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的重要原因。

2

磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)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。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能系統(tǒng)中心主任DonHillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時(shí)候，他用terrible來形容，他們對(duì)磷酸鐵鋰型鋰離子電池測(cè)試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰離子電池在低溫下（0℃以下）無法使電動(dòng)汽車行駛。盡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(cuò)，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(shè)備根本就無法啟動(dòng)工作。

3

材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)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(duì)環(huán)境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵鋰中的化學(xué)元素Li，F(xiàn)e與P很豐富，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵鋰產(chǎn)品成本并不低，即使去掉前期的研發(fā)成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會(huì)使得最終單位儲(chǔ)能電量的成本較高。

4

產(chǎn)品一致性差。目前國內(nèi)還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅(qū)體以及還原性氣相。在這一復(fù)雜的反應(yīng)過程中，很難保證反應(yīng)的一致性。

5

知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專利申請(qǐng)?jiān)?993年六月二十五日由FXMITTERMAIER&SOEHNEOHG(DE)獲得，并于同年八月十九日公布申請(qǐng)結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請(qǐng)。這兩個(gè)基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，假如成本中計(jì)算上專利使用費(fèi)的話，那產(chǎn)品成本將會(huì)進(jìn)一步提高。

此外，從研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來看，日本是鋰離子電池最早商業(yè)化的國家，并且一直占據(jù)著高端鋰離子電池市場(chǎng)。而美國盡管在一些基礎(chǔ)研究上領(lǐng)先，但是到目前為止還沒有一家大型鋰離子電池生產(chǎn)公司。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料更加有其道理。即使是在美國，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各占一半，聯(lián)邦政府也是同時(shí)支持這兩種體系的研發(fā)。鑒于磷酸鐵鋰存在的上述問題，很難作為動(dòng)力型鋰離子電池的正極材料在新能源汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。假如能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環(huán)與儲(chǔ)存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力型鋰離子電池中的應(yīng)用將有巨大的潛力。

在金屬交易市場(chǎng)，鈷（Co）最貴，并且存儲(chǔ)量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境無污染。

作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全（不會(huì)因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰離子電池在這些性能要求上都不錯(cuò)，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩(wěn)上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環(huán)次數(shù)）、對(duì)環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力鋰電池。