磷酸鐵鋰電池全解

一、磷酸鐵鋰電池定義

磷酸鐵鋰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有很多種，主要有鈷酸鋰、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，而其它正極材料由于多種原因，目前在市場上還沒有大量生產(chǎn)。磷酸鐵鋰也是其中一種鋰離子電池。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。

磷酸鐵鋰由于具有安全性與循環(huán)壽命優(yōu)勢、材料成本的誘惑，正在逐步進入鋰離子動力電池市場。

二、磷酸鐵鋰正極材料

1997年A.K.Padhi首次報導磷酸鐵鋰（LiFePO4）具有脫嵌鋰功能。該材料具有橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料,LiMPO4（M：Mn，F(xiàn)e，Co，Ni）,成為很有潛力的鋰離子電池正極材料。磷酸鐵鋰作為鋰離子電池用正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時，該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環(huán)境下使用、原材料來源廣泛等優(yōu)點，是目前電池界競相開發(fā)研究的熱點。

該材料具有發(fā)上圖所示的晶體結(jié)構(gòu)。

工作電壓范圍：2.5～3.6V，平臺約3.3V，比鈷酸鋰電池3.7V低一些。

由于該材料導電性差，需往磷酸鐵鋰顆粒內(nèi)部摻入導電碳材料或?qū)щ娊饘傥⒘＃蛘咄姿徼F鋰顆粒表面包覆導電碳材料，提高材料的電子電導率；或摻雜金屬離子來提高導電性。這樣材料的密度低，做成電池的體積比容量低，只有180Wh/L（鈷酸鋰可做到400Wh/L以上），在小電池領域，同樣尺寸電池只有現(xiàn)有電池容量的一半不到。

三、磷酸鐵鋰電池及其優(yōu)缺點

磷酸鐵鋰的優(yōu)點：

1、安全。磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的。當然它和其它磷酸鹽的安全性能也基本一樣，用磷酸鐵鋰做電池，絕對不用擔心爆炸問題的存在。

2、穩(wěn)定性高。包括高溫充電的容量穩(wěn)定性好，儲存性能好等。這點是最大的優(yōu)點，在所有知道的材料中，也是最好的。

3、環(huán)保。整個生產(chǎn)過程清潔無毒。所有原料都無毒。不像鈷是有毒的物質(zhì)。

4、價格便宜。磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料，這些材料都十分便宜，無戰(zhàn)略資源及稀有資源。

磷酸鐵鋰的缺點：

1、導電性差。這個問題是其最關鍵的問題。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應用，這是一個主要的問題。但是，這個問題目前已經(jīng)可以得到完美的解決：就是添加C或其它導電劑。實驗室報道可以達到160mAh/g以上的比容量。我們公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰材料在生產(chǎn)過程中已經(jīng)添加了導電劑，不需要制作電池時添加。實際上材料應該為：LiFePO4/C，這樣一個復合材料。

2、振實密度較低。一般只能達到1.3-1.5，低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的最大缺點。這一缺點決定了它在小型電池如手機電池等沒有優(yōu)勢。即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取代鈷酸鋰。這一缺點在動力電池方面不會突出。因此，磷酸鐵鋰主要是用來制作動力電池。

3、目前研究開發(fā)還不深入。目前以磷酸鐵鋰作為正極材料的產(chǎn)業(yè)化情況并不樂觀。因為還是最近兩年發(fā)展起來的，所以各方面的研究還需要繼續(xù)深入。

四、其它

在動力電池領域，由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價格，使其一直在動力電池門外徘徊，始終沒有完全進入動力電池領域。現(xiàn)在的情況是鈷酸鋰和錳酸鋰小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始終沒有大批量的進行商業(yè)化運作，產(chǎn)品只是在小批量試生產(chǎn)階段，目前大規(guī)模的商業(yè)化運作還有一些難以克服的困難。在動力電池領域磷酸基正極材料依其超長的循環(huán)壽命，極好的安全性能，較好的高溫性能，極其低廉的價格，而且低溫性能和倍率放電已經(jīng)可以達到鈷酸鋰的水平等，使其成為最有希望的動力電池材料，其在未來的5年內(nèi)可能會成鎳鎘電池的主要替代品，在未來的10年內(nèi)會成為鉛酸電池的有力競爭者，在未來的20年內(nèi)可能會取代鉛酸電池，成為主要的啟動電源、UPS電源和后備電源，成為二次電池的老大。

現(xiàn)在磷酸鐵鋰最主要的問題是容量偏低,制造成本偏高,在電池生產(chǎn)上加工困難(制漿,拉漿,輥軋等工序都需要特殊處理,很多企業(yè)不能很好的處理)倍率放電不穩(wěn)定(需要特定的電池工藝配合,受工藝影響很大)而現(xiàn)在電器的使用趨勢是小巧型發(fā)展,所以對電池也有同樣的要求高體積能量密度.從容量上看磷酸鐵鋰沒有前途,在特定的電池領域使用較有優(yōu)勢，如動力電池。

磷酸鐵鋰振實密度比較低,比表面積很大,需要改變電池先行工藝,而且電池極片的面密度低所以同樣型號的電池容量更低。

電解液也需重新開發(fā)適用的電解液體系，用現(xiàn)有的成熟電解液難發(fā)揮其性能。

另外，由于磷酸鐵鋰電池的工作電壓范圍在2.5～3.6V，平臺為3.3V左右，沒有批量配套的保護線路和充電器，較難在現(xiàn)有的電子設備上發(fā)揮出其特性，需要一個整體的行業(yè)整合。

產(chǎn)業(yè)化方面：

國外做得較早的為是美國Valence（威能）公司和A123（高博）公司，這兩家公司都在國內(nèi)（江蘇）有材料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極材料，然后采用委托其它電池公司代工生產(chǎn)電池出口。

國內(nèi)目前已經(jīng)有很多公司在作測試，研究，小批量試產(chǎn)材料，北大先行，中輝振宇，山西力之源等比較活躍，湖南瑞祥與杉杉公司也在跟進。批量生產(chǎn)電池的企業(yè)尚不多，山東海霸能源集團公司宣傳較多，有產(chǎn)品上市。