2.1.1 磷酸鐵鋰電池

1. 特點與優勢

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池，具有以下優勢和特點。

（1）安全性能的改善 磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充電時，也不會結構崩塌、發熱或是形成強氧化性物質，因此它擁有良好的安全性。即使電池內部或外部受到傷害，電池也不燃燒、不爆炸。有報告指出，磷酸鐵鋰電池在實際操作針刺或短路實驗中，出現小部分樣品發生燃燒的現象，但未出現一例爆炸事件，而過充電試驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電，依然會有爆炸現象產生。盡管如此，其過充電安全性較之其他電池，已大有改善。

（2）壽命的改善 鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高500次，而磷酸鐵鋰電池，循環壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，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，其性能價格比在理論上為鉛酸電池的4倍。大電流放電可達2C電流快速充放電，使用專用充電器，以1.5C充電40min即可使電池充滿，啟動電流可達2C，而鉛酸電池無此性能。經測試，該類型電池經過500次循環充放電，其放電容量仍大于95%。

（3）高溫性能好 磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰的電熱峰值只有200℃左右。磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍寬廣（-20～+75℃），有耐高溫特性，這使得磷酸鐵鋰電池的使用地點、場合大大擴大。外部溫度為65℃時，內部溫度高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，但電池的結構安全、完好。

（4）大容量 具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量，為5～1000A·h（單體）。

（5）高效率輸出 標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10s）可達20C。

（6）無記憶效應 如果電池經常在充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量，這種現象叫作記憶效應。鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

（7）體積小、重量輕 同等規格容量的磷酸鐵鋰電池體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池重量的1/3。

（8）環保并對環境無污染 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、符合歐盟RoHS規定的絕對綠色環保電池。鉛酸電池中存在著大量的鉛，在廢棄后若處理不當，仍將對環境形成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無論在生產及使用過程中，均無污染。鋰電池之所以被業界看好，主要是出于環保考量，因此該電池又被列入了“十五”期間的國家高技術研究發展計劃（簡稱863計劃），成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。隨著中國加入WTO，中國電動自行車的出口量迅速增大，而進入歐美的電動自行車要求配備無污染電池。有專家表示，鉛酸電池造成的環境污染，主要發生在企業不規范的生產過程和回收處理環節，因而鋰電池雖然屬于新能源產品，但也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中鉛、砷、鎘、汞、鉻等元素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，二是報廢以后的電池污染。

目前最有希望應用于動力型鋰電池的正極材料主要有錳酸鋰（LiMn₂O₄）、磷酸鐵鋰（LiFePO₄）和鎳鈷錳酸鋰（Li（Ni，Co，Mn）O₂）三元材料。由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成本高和價格波動大等原因，普遍認為鎳鈷錳酸鋰三元材料很難成為電動汽車用動力型鋰電池的主流，但其可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內混合使用。

2. 行業現狀與劣勢

日本和韓國的一些公司如豐田和松下合資成立的Panasonic EV能源公司、日立、索尼、新神戶電機、NEC、三洋電機、三星以及LG等，近幾年主要開發以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰為正極材料的動力型鋰電池。美國的一些公司如A123、Valence，主要開發以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰電池。美國的主要汽車廠家在其PHEV（插電式混合動力汽車）與EV（電動汽車）中選擇錳基正極材料體系動力型鋰電池，并且A123公司在考慮進軍錳酸鋰材料領域，而德國等歐洲國家主要采取和其他國家電池公司合作的方式發展電動汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft聯盟、德國大眾與日本三洋等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在國家的支持下也正在研發和生產動力型鋰電池。

現在國內普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰電池的正極材料，政府、科研機構、企業甚至是證券公司的市場分析員都看好這一材料，將其作為動力型鋰電池的發展方向。分析其原因，主要有下列兩點：首先是受到美國研發方向的影響，美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰作為鋰電池的正極材料；其次是國內一直沒有制備出可供動力型鋰電池使用的，具有良好高溫循環與儲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，歸結起來主要有以下幾點：

（1）單質鐵的安全問題 在磷酸鐵鋰制備時的燒結過程中，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。單體電池內部短路，無法通過外部控制電路進行保護，不僅會造成高溫、高阻，還會造成電池組的連鎖反應。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰電池正極材料的主要原因。控制辦法：①增加單體電池過熱隔離裝置；②采用單體電池連接措施；③盡量減小單體電池的能量；④使用單體電池的串并聯方式；⑤利用溫度控制系統。

（2）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。美國阿貢國家實驗室儲能系統中心主任Don Hillebrand博士談到磷酸鋰鐵電池低溫性能的時候，用“terrible”一詞來形容，對磷酸鐵鋰型鋰電池測試結果表明，磷酸鐵鋰電池在低溫（0℃以下）時無法使電動汽車行駛。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，但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。

振實密度指在規定條件下容器中的粉末未經振實后所測的單位容積的質量。如果合成的LiFePO₄粉末顆粒為不規則形狀，則其不能密集堆積，導致產物振實密度低。球狀材料具有優異的流動性和分散性，其顆粒表面比較容易包覆完整、均勻、牢固的修飾層，有利于經過表面修飾以提高其綜合性能。因此，提高LiFePO₄材料振實密度的重要思路之一為制備球形顆粒。壓實密度=面密度/材料的厚度。壓實密度與片比容量、效率、內阻以及電池循環性能有密切的關系。一般來說，壓實密度越大，電池的容量就能做得越高。

（3）制備及制造成本高 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，不易統一工藝。雖然磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆提高了材料的電化學性能，但是也帶來了其他問題，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。盡管磷酸鐵鋰中的化學元素Li、Fe與P很豐富，成本也較低，但是制備磷酸鐵鋰產品的成本并不低，即使去掉前期的研發成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池成本，也會使得最終單位儲能電量的成本較高。

（4）產品一致性差問題 目前國內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是一個復雜的反應過程，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅體以及還原性氣相。在這一復雜的反應過程中，很難保證反應的一致性。

（5）知識產權問題 最早的有關磷酸鐵鋰的專利申請在1993年6月25日由FX MITTERMAIER&SOEHNE OHG（DE）獲得，并于同年8月19日公布申請結果。磷酸鐵鋰的基礎專利為美國德州大學所有，而碳包覆專利被加拿大人申請。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，產品成本將會進一步提高。

此外，從研發和生產鋰電池的經驗來看，日本是鋰電池最早商業化的國家，一直占據著大部分高端鋰電池市場。而美國盡管在一些基礎研究上領先，但是到目前為止還沒有一家大型鋰電池生產企業。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動力型鋰電池正極材料更有其道理。即使是在美國，采用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動力型鋰電池正極材料的廠家也是各占一半，聯邦政府也是同時支持這兩種體系的研發，它們同時作為動力型鋰電池的正極材料，在新能源汽車等領域獲得廣泛應用。如果能夠解決錳酸鋰存在的高溫循環與儲存性能差的難題，憑借其低成本與高倍率性能的優勢，在動力型鋰電池中的應用將有巨大的潛力。

3. 工作原理

磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由于它的性能特別適于作動力方面的應用，因此也稱為磷酸鐵鋰動力電池，也有人把它稱為鋰鐵動力電池。在金屬交易市場中，鈷（Co）最貴，而且存儲量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此，采用LiFePO₄正極材料做成的鋰電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。

充電電池對材料的要求是容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學性能穩定、使用中安全（不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。采用LiFePO₄作正極的鋰電池在這些性能要求上，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩、安全（不燃燒、不爆炸）、壽命（循環次數）、對環境無污染上表現都不錯，是目前最好的大電流輸出動力電池。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。鋰電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

4. 主要性能

LiFePO₄電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電電壓是2.0V。由于各個生產廠家采用的正負極材料、電解質材料的質量及制造工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝）的標準電池，其容量有較大差別（10%～20%），按容量大小，磷酸鐵鋰電池可以分成三類：小型（零點幾到幾毫安時）、中型（幾十毫安時）、大型（幾百毫安時）。不同類型電池的同類參數也有一些差異。

5. 典型應用

由于磷酸鐵鋰電池具有上述特點，并且生產出各種不同容量的電池，很快得到了廣泛的應用。它主要應用領域有：

1）大型新能源汽車，如公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車等。

2）輕型新能源汽車，如電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等。

3）電動工具，如電鉆、電鋸、割草機等。

4）遙控汽車、船、飛機等玩具。

5）太陽能及風力發電的儲能設備。

6）UPS及應急燈、警示燈及礦燈（安全性最好）。

7）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）。

8）小型醫療儀器設備及便攜式儀器等。

舉一個用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸電池的應用實例。采用36V/10A·h即能量為360W·h的鉛酸電池作為某新能源汽車的動力源，其質量為12kg，充一次電可行走約50km，充電次數約100次，使用時間約1年。若采用磷酸鐵鋰電池，采用同樣的360W·h能量（12個10A·h電池串聯組成），其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數可達1000次，使用壽命可達3～5年。雖然說磷酸鐵鋰電池的價格較鉛酸電池高得多，但總的經濟效果還是采用磷酸鐵鋰電池更好，并且更輕便。

6. 電池性能

鋰電池的性能主要取決于正負極材料，磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現的，國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是在2005年7月，其安全性能與循環壽命是其他材料所無法相比的，這些也正是動力電池最重要的技術指標。1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。采用磷酸鐵鋰正極材料做出的大容量鋰電池，可以提升續航，以解決新能源汽車頻繁充放電的問題。磷酸鐵鋰具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價格便宜、壽命長等優點，是新一代鋰電池的理想正極材料。

7. 主要技術要求

（1）工作溫度范圍 鋰電池組在下列環境溫度條件下使用：充電環境溫度為-10～55℃；放電環境溫度為-20～60℃。

（2）電氣性能 電池模塊內各電芯應為同一廠家生產、結構相同、化學成分相同的產品，且符合下列要求：

1）電池模塊內各電芯之間靜態開路電壓最大值與最小值的差值應不大于0.05V。

2）電池模塊內各電芯之間靜態內阻最大值與最小值的差值應符合：10mΩ以下的偏差絕對值不超過0.5mΩ，10mΩ以上的不超過平均值的5%。

3）電池模塊內各電芯之間，容量最大值與最小值的差值應不超過平均值的±1%。

（3）容量保存率 電池組容量應不低于額定容量的95%。

（4）循環壽命 電池組的循環壽命應為800～2000次。

（5）高溫性能 電池組按規定進行充電后放電，其外觀應無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，其測試循環次數應不少于52次。

（6）電磁兼容性

1）靜電放電抗擾性。電池組應滿足GB/T 17626.2—2018等級4的要求；試驗后，其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

2）傳導騷擾限值。電池組應滿足YD/T 983—2018等級B的要求；試驗后，其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

3）輻射騷擾限值。電池組應滿足YD/T 983—2018等級B的要求；試驗后，其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

4）浪涌（沖擊）抗擾性。電池組應滿足GB/T 17626.5—2019等級4的要求；試驗后，其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

（7）電池管理功能

1）顯示精度。電池組配有專用電池管理系統（BMS），BMS顯示的各種參數值與電池組實際的參數值之間的誤差應符合表2-1的要求。

2）溫度補償功能。電池組充電應具有溫度補償功能。

（8）監控功能

1）通信接口。電池組宜具有RS232或RS485/422、IP、USB等標準通信接口，通信協議參見YD/T 1363.3—2014中的蓄電池檢測裝置通信協議，應提供與通信接口配套使用的通信線纜和各種告警信號輸出端子。

2）監控內容。電池組應具有以下實時監控功能。

遙測：電池組容量（SOC）、電池組/電芯電壓、電池組/電芯電流、環境/電池組/PCB（可選）/電芯溫度（可選）、電池組充電/放電電流、電池組內阻（可選）、電池組健康狀態SOH（可選）等。

遙信：電池組的充電/放電狀態、電池組過充電/過電流告警、電池組放電欠電壓/過電流告警、電芯充電過電壓告警、電芯放電欠電壓告警、電池組極性反接告警、環境/電池組/PCBA/電芯高溫告警、環境低溫告警、電池組容量過低告警、電池組溫度/電壓/電流傳感器失效告警、電芯失效告警（可選）、電池組失效告警（可選）。

遙控：充電/放電（可選）、告警聲音開關。

遙調（可選）：電池組的充電/放電管理參數等。

（9）保護與告警功能

1）過充電保護。電池組處于過充電狀態時，應切斷充電電路并告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

2）過放電保護。電池組放電至截止電壓后，應切斷放電電路并告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

3）短路保護。電池組輸出端發生短路，應瞬間切斷電路并告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸；故障排除后，應能手動或自動恢復工作；瞬時充電后，電池組電壓應不小于標稱電壓。

4）反接保護。電池組按規定進行試驗，應切斷電路并告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸；故障排除后，應能自動恢復工作；瞬時充電后，電池組電壓應不小于標稱電壓。

5）過載保護。電池組放電電流達到過載保護電流時，應切斷電路并告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸；故障排除后，應能自動恢復工作；瞬時充電后，電池組電壓應不小于標稱電壓。

6）溫度保護。當溫度達到表2-2中保護點范圍時，電池組應切斷電路并告警；除電池組內部BMS元器件高溫保護外，溫度達到恢復點范圍時，電池組應自動恢復工作；電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

（10）安全性能分類

1）抗重物沖擊。電池組按6.9.2規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

2）抗熱沖擊。電池組按6.9.3規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

3）抗過充電。電池組按6.9.4規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

4）抗過放電。電池組按6.9.5規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

5）抗短路。電池組按6.9.6規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

6）高溫儲存。電池組按6.9.7規定進行試驗，應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

7）抗加熱。電池組按6.9.8規定進行試驗，爆炸電池沒有任何部分穿透網屏，沒有部分或全部電池突出網屏。

8）抗穿刺。電池組按6.9.9規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

9）抗擠壓。電池組按6.9.10規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

10）抗低壓。電池組按6.9.11規定進行試驗，應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

11）恒定濕熱。電池組按6.9.12規定進行試驗，其外觀應無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，其容量應不低于額定容量的90%。

12）抗振動。電池組按6.19.13規定進行試驗，其外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

13）抗碰撞。電池組按6.9.14規定進行試驗，其外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，并能正常工作。

（11）溫度循環。電池組按6.6.15規定進行試驗，應不漏液、冒煙、起火或爆炸；電池組外觀無破裂，無質量損失，容量不低于初始狀態時的70%。

（12）阻燃性能。對于有塑料外殼和保護蓋的電池組，按照6.6.16規定進行測試，外殼應符合GB/T 2408—2008中第8.3.2條FH-1（水平級）和第9.3.2條FV-0（垂直級）的要求。

（13）絕緣電阻。對于有金屬外殼的電池組，電池組正負極接口對電池組金屬外殼的絕緣電阻均不小于2MΩ。