磷酸铁锂电池

铁酸铁锂电池（锂铁磷酸盐电池，LFP电池）是一种锂离子电池，电池电压为3.2V至3.3V。正极由磷酸铁锂（LiFePO4）组成，而不是常规的锂钴（III） ) 氧化物 (LiCoO2)。 负电极由嵌入锂的石墨组成。 这种蓄能器的能量密度低于传统蓄能器，但即使在发生机械损坏时也不会发生热失控。

LiFePO4于1997年首次被提出作为锂离子电池的材料。 它取代了传统锂电池中使用的钴酸锂。

早期的 LiFePO4 阴极存在离子和电子电导率低的问题，这会抑制功率密度。 通过使用 LiFePO4 纳米粒子和碳涂层可以提高导电性。 例如，用钇 (LiFeYPO4) 或硫原子掺杂 LiFePO4 也可以改善技术性能。

与使用锂钴 (III) 氧化物 (LiCoO2) 的传统锂离子电池相比，在化学反应过程中不会释放氧气。 对于带有锂钴氧化物阴极的锂离子蓄电池，这会导致热失控，在不利条件下会导致电池自行点火。

与传统正极材料 (LiCoO2) 相比，磷酸铁锂电池中的锂含量全部使用。 在具有 LiCoO2 阴极的电池中，仅使用了 50-60% 的锂，否则层状结构会变得不稳定。 当使用 Li2Mn2O4 阴极时，只能使用 50% 的可用锂，其余部分内置于晶体中。

LiFePO4中锂的质量分数约为4.5%（重量）。 对于能量含量为 1000 Wh 的蓄电池，磷酸铁锂蓄电池仅需要约 11.3 mol（≈ 80 g）的锂，而锂钴或锂则需要约 20 mol 或 140 g锰蓄电池。 磷酸铁锂电池的能量密度达到210Wh/kg。

LiFePO4 蓄电池没有像镍镉蓄电池那样的记忆效应。 放电期间的这种异常在正常操作中非常小且无关紧要。 磷酸铁锂电池可暂时存放，随时放电和充电。 更长的存储时间只会在完全充电和几乎完全放电时不利于预期寿命。

确切的电压在电池类型和制造商之间略有不同，在应用中它们可以在各自的数据表中找到。 充电终止电压通常为 3.6-3.65 V。过充电保护电路通常响应 3.8 V。

放电终止电压因类型而异，通常在 2.0 V 左右，有些类型也刚好超过 2.5 V。在 10% 到 90% 的充电范围内，电池的充电和放电都只有很小的变化电池电压。 略微降低充电终止电压 (3.4-3.5 V) 和减少放电深度对可用循环次数和使用寿命产生积极影响。

只有少数标准化设计。 可以在圆形电池和扁平电池之间进行基本区分。

• 圆形电池主要提供低至两位数安时范围的充电容量。 还有一些设计符合圆形电池尺寸的非官方行业标准，类似于便携式电池。 例如，18650和26650型号的电池使用较多，型号名称反映了大概的尺寸，所以18650表示直径约为18mm，长度约为65mm，26650表示直径约为26mm，长度约为65毫米长。 还有 38140 型电池，它们的直径为 38 毫米，长度约为 140 毫米。 每个电池的重量约为 400 克，极上有一个 M6 螺钉连接。 使用我们这些电池主要用于工业。
• 扁平电池可用于几乎所有容量大小。 它们以箔片电池和长方体电池块的形式出售。
  • 前者以覆盖有箔片的扁平电池的形式生产，也称为箔片电池。 但是，这种设计只是一个中间产品，对于电池组的组装或直接安装在外壳中需要小心处理。 尺寸范围从 mAh 范围到两位数的 Ah 范围。
  • 具有塑料外壳和螺钉连接的大型长方体形状（范围约为 20-1000 Ah）通常称为单个电池，由多个并联组合在一个共同外壳中的箔片电池组成。 它们比纯箔电池更容易处理，但没有标准化尺寸或网格尺寸。

在 LiFePO4 蓄电池的充电电压曲线过程中，可能会出现向更高电压的小偏移，其位置取决于之前的充电状态。 这种与完全充放电相比电压曲线出现几毫伏小偏差的效应，由于依赖于之前的历史，被发现者称为“记忆效应”。 该效应是由活性材料的单个颗粒的相变引起的，并且根据目前的知识，仅发生在 LiFePO4 阴极和类似的橄榄石阴极上。 这种所谓的“记忆效应”无法与众所周知的 NiCd 和 NiMH 蓄电池的记忆效应相提并论。 它可以在xxx次放电时出现，是暂时的，并且可以通过给电池充电来恢复。 这种异常不会直接影响电池的性能和使用寿命，但这种影响可能会导致仅基于电压测量值的充电状态显示被篡改。

LiFePO4 蓄电池在循环稳定性、尺寸、容量和重量方面明显优于铅蓄电池，缺点是与铅蓄电池的电等效解决方案相比，LiFePO4 蓄电池的采购价格更高。 除此之外还有平衡器，铅酸电池不需要平衡器。

以下列表特别提到了与普通锂钴 (III) 氧化物 (LiCoO2) 电池的区别。

• 高安全性：由于电池化学性质，LiFePO4 电池被认为是本质安全的，与其他锂离子电池一样，不包括热失控和隔膜熔化。
• 部分高功率密度，具有 20 C 的连续电流和高达 50 C 的脉冲负载能力。
• 可能的高充电电流 (0.5 C - 3 C)，脉冲充电电流高达 6 C (10 s)（单位“C”表示与电池容量相比有多少安培；例如，2 C 相当于电流为 100 A，电池容量为 50 Ah）。
• 高循环稳定性：I) Sony Fortelion：8,000 次循环后剩余容量为 74%，放电度 (DoD) 为 xxx II) 1000 次循环后为 80% 原始容量（标称容量，NC），2000 次循环后为 60% 容量. 在 xxx DoD 的 10,000 次循环后，圆柱形 (18650) 电池也实现了 >85% 的剩余容量。 其他制造商指定超过 5,000 次循环，每次放电至 70%（放电深度，DoD）和 10,000 次循环，最小放电至仅 90%，从而实现较长的使用寿命和较低的运营成本。
• 总充电和放电循环的高电效率 >; 91%
• 充电和放电期间平坦的电压曲线
• 对深度放电的敏感性较低
• 存储温度范围广（例如：-45 至 +85 °C，-15 至 +60 °C）。 实践经验表明，使用高达约 +10 °C 是可能的，没有任何问题，低于 0.5 C 以上的高电流消耗（牵引使用）会导致更大的电压降，但电池容量不会有任何明显的损失。
• 自放电已通过掺杂得到改善，低至每月 3-5% 左右。
• 通过不使用钴实现更好的环境兼容性和资源保护

• 较低的 3.2V 标称电压 - 而锂钴电池提供 3.7V
• 由于电压和容量较低，能量密度较低 - 降低 90 Wh/kg。 同时，也实现了 210 Wh/kg 的数值。 体积能量密度只有锂钴电池的一半左右。 这导致相同容量的重量和空间要求几乎翻倍。 （→ 能量密度和效率）