鉅大LARGE | 點擊量：9989次 | 2021年04月26日
詳解磷酸鐵鋰離子電池的結構和工作原理
磷酸鐵鋰離子電池的結構和工作原理
一、磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰電極材料重要用于各種鋰離子電池，自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結構的鋰離子電池正極材料之后,1997年美國德克薩斯州立大學研究群也接著報導了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國與日本不約而同地發表橄欖石結構(LiMPO4),使得該材料受到了極大的重視，并引起廣泛的研究和迅速的發展。與傳統的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結構的LiMn2O4和層狀結構的LiCoO2相比，LiMPO4的原物料來源更廣泛、價格更低廉且無環境污染。
二、磷酸鐵鋰離子電池原理和特點
電池一般包括：正極、負極、電解質、隔膜、正極引線、負極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、密封圈、PTC（正溫度控制端子）、電池殼等。其中正極材料、負極材料、電解質以及隔膜的不同或者工藝的不同，對電池的性能和價格有著決定性的影響。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
通常所稱的鋰離子電池，是以各種含鋰材料為正極材料的電池，目前市場上的鋰離子電池正極材料重要是鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4），另外還有少數采用鎳酸鋰（LiNiO2）以及二元/三元聚合物作正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰離子電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）材料作電池正極的鋰離子電池，其內部結構如圖一所示：左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼、鋁塑復合膜或塑料殼密閉封裝。
LiFePO4電池的工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰離子脫出來，經過電解液，穿過隔膜進入到負極材料中；電池放電時，鋰離子又從負極中脫出來，經過電解液，穿過隔膜回到正極材料中。（注：鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的，所以鋰離子電池又稱搖椅電池）
2、磷酸鐵鋰離子電池的性能與特點
2.1磷酸鐵鋰離子電池的優勢
一、超長壽命：長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力鋰電池在室溫下1C充放電循環2000次，容量保持率80%以上；是鉛酸電池5倍，鎳氫電池的4倍，是鈷酸鋰離子電池4倍，是錳酸鋰離子電池4-5倍左右。
二、安全性高：磷酸根化學鍵的結合力比傳統的過渡金屬氧化物結構化學鍵強，所以結構更加穩定，并且不易釋放氧氣。磷酸鐵鋰離子電池在高溫下的穩定性可達400以上，保證了電池內在的高安全性；不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而出現爆炸或燃燒。
三、環保且不要稀有金屬：磷酸鐵鋰離子電池不含任何（鋰之外）重金屬或者稀有金屬，無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲RoHS規定，為環保電池。
四、充電速度快，自放電少，無記憶效應：磷酸鐵鋰離子電池可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，2C充電30分鐘內即可使電池充滿95%，起動電流可達2C，而鉛酸電池現在無此性能。
五、體積小，重量輕：商品設計可輕量化，體積是相同容量鉛酸電池的2/3，也較鎳氫電池體積小；重量是相同容量鉛酸電池的1/3，鎳氫電池的2/3左右；
六、電池單體電壓高，放電平臺穩定：為3.2V，串聯少，電池組可靠性高；電池組可靠性高，可作大電流高功率充放電高倍率放電特性：10C充放電效率達到96%以上，容量保持率90%以上，可實現10C放電；
綜上可知，磷酸鐵鋰離子電池相對傳統電池和其它鋰離子電池，具有自身明顯的優勢，表1和表2對其性能和傳統電池及鋰離子電池進行比較
可見與傳統電池相比，磷酸鐵鋰離子電池只在價格方面處于一定劣勢，其他各項指標明顯占據優勢。但假如考慮電池壽命，磷酸鐵鋰離子電池的價格卻是最低的。
磷酸鐵鋰除了振實密度、克容量兩個指標略有不足，其他各項指標均占很大優勢，尤其是在循環性能、環保性、安全性能、原料成本及應用領域方面。
2.2磷酸鐵鋰離子電池的劣勢
1、導電性差、鋰離子擴散速度慢。高倍率充放電時，實際比容量低，這個問題是制約磷酸鐵鋰產業發展的一個難點。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應用，這是一個重要的問題。
2、振實密度較低。一般只能達到0.8-1.3，低的振實密度可以說是磷酸鐵鋰的很大缺點，這決定了它在小型電池如手機電池等沒有優勢，所以其使用范圍受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，穩定性好，循環次數高，但假如體積太大，也只能小量的取代鈷酸鋰。但這一缺點在動力鋰電池方面不會突出。因此，磷酸鐵鋰重要是用來制作動力鋰電池。
3、一致性問題嚴重。單體磷酸鐵鋰離子電池壽命目前超過2000次，但是制作出來的電池一致性不佳，進而影響到電池組的使用性能和整體壽命，因此應用在動力汽車上存在一定障礙。
4、磷酸鐵鋰離子電池低溫性能差。磷酸鐵鋰材料的固有特點，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。一般情況下，關于單只電芯，其0℃時的容量保持率約60～70%，-10℃時為40～55%，-20℃時為20～40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動力電源的使用要求。
5、制造成本高。磷酸鐵鋰具有安全性、環保性、循環次數高等優點是毋庸置疑的，但目前的制造成本相對鉛酸電池、錳酸鋰離子電池要高，其重要原因是：1）材料物理性能和其他鋰電材料相差較大，其粒度小，振實密度小，比表面積大，材料的加工性能不好，涂敷量低，導致電池成本新增；2）磷酸鐵鋰離子電池只有3.2V，比其他的鋰電低20%左右，單體電池要多用20%，導致電池組成本上升較多。
隨著技術的發展，磷酸鐵鋰材料上的這些缺點正在逐步得到解決，其性價比也逐步得到提高，應用范圍也逐漸擴大，我們相信，磷酸鐵鋰離子電池技術已經進入一個飛速發展階段，正在帶動整個產業從市場的培育導入期進入一個高速上升階段。
三、磷酸鐵鋰離子電池產業鏈剖析
3.1磷酸鐵鋰離子電池產業鏈結構
3.2磷酸鐵鋰原料
磷酸鐵鋰材料原料行業屬于資源性行業，全球各地的鋰資源基本已為各大公司圈地所占，我們認為在鋰資源行業對風險投資已經失去戰略性進入的價值。磷源化合物屬于傳統的化工消耗品，已經具有非常成熟的供應商。相對而言，高質量的鐵源化合物國內暫無占有絕對優勢的供應商，存在一定的投資機會，投資者可以關注深圳碩田科技，合肥亞龍等在這一領域領先的公司。
3.3國內磷酸鐵鋰正極材料廠商情況
目前國際上磷酸鐵鋰材料知名的廠商重要是美國A123、加拿大的Phostech以及美國Valence。這些廠商都已經發展出十分成熟的量產技術，其中最大的產量5000噸/年以上。我國公司從2001年就陸續啟動磷酸鐵鋰材料開發，歷經6年時間，北大先行終在2007年突破了磷酸鐵鋰從實驗室技術到中試生產技術的一系列技術及工程問題，并在完善相關工藝過程中，使得磷酸鐵鋰離子電池的安全性得到了較大程度的提高與保證，奠定了磷酸鐵鋰產品系列化和規模產業化的基礎。總體來看，國內對磷酸鐵鋰的技術研發水平及產業化程度與國際基本同步。在產量方面我國的材料供應商與國外大廠差不多，售價比國外要低，但材料加工性能和穩定性略遜一籌。現階段全國約有50多家電池材料生產廠商，其中真正進入工業化批量生產的僅有天津斯特蘭、北大先行、蘇州恒正等十余家。雖然真正具備供貨能力的公司為數不多，但表明我國公司抓住了此次鋰離子電池發展機遇，使我國鋰電在動力鋰電池的產業化走在世界前列。表4詳細的列舉了國內前10位的LFP材料公司及其發展情況
可以看出，國內所有磷酸鐵鋰材料廠家的產品均各有優缺點，沒有一家廠家在技術上絕對的優勢，也未有廠家能大規模的量產。
3.4負極材料廠家情況
負極材料的平均毛利率大概在20-30%之間，屬于整個新能源電池行業毛利率偏低的領域，這和這個領域技術比較成熟，供貨廠家較多有關。在這一領域有兩家廠商值得關注：深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司和上海杉杉科技有限公司。
深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司開發的高能量低密度鋰離子電池負極材料（BTR-158-B）新產品榮獲廣東省重點新產品稱號。根據日本IIT咨詢公司鋰離子電池相關研究報告，2008年貝特瑞在全球負極材料行業市場占有率為11%，排名第三位，僅次于日本的日立化成（HitachiChemical）和精工碳素（NipponCarbon），在我國市場的占有率則排名第一，2008年市場供貨量達到2360噸，重要客戶為力神、ATL、比克和A123。
上海杉杉科技有限公司是由杉杉集團與寧波杉杉股份[16.850.90%]有限公司共同投資組建。現主營鋰離子電池炭負極材料---中間相炭微球（簡稱CMS）、改性人造石墨微粉（簡稱CMP）的生產和銷售，年產量達到1200噸。根據日本IIT咨詢公司報告，上海杉杉2008年負極材料實際供貨量達到1650噸，市場占有率位列第6名，重要客戶為BYD、力神、ATL及比克。
3.5隔膜廠家情況
隔膜屬于技術含量高，投資較大的產業，現階段國內在隔膜技術上尚未形成突破，高端重要以進口為主，導致隔膜價格高昂，但是對公司來說可以享受較高的毛利。國內在隔膜領域有一定技術積累和規模的公司是深圳的星源材質和金輝高科。
深圳市星源材質是專業從事微孔隔膜研發、生產和銷售的高新科技公司。公司承擔兩項國家863開發項目；四項科研成果通過鑒定；申請專利34項；鋰離子電池隔膜生產技術處于國內領先地位。目前，公司擁有干法生產線兩條，濕法生產線一條，可以生產12μm到40μm不同規格的鋰離子電池隔膜，其中干法生產線于2008年一月啟動，總投資人民幣4788萬元，年產量1000萬平方米，該生產線于2008年九月正式投產，成為我國具有國際水平的干法生產鋰離子電池隔膜的第一家。此外，年設計生產量力5000萬平方米的鋰離子電池隔膜生產基地正在建設之中。公司先后被評為國家火炬計劃重點公司，深圳市民營領軍骨干公司，最近又被福布斯評為09年最有潛力公司。
佛山市金輝高科光電材料有限公司由佛塑股份與BYD共同出資281萬美元組建，其中佛塑股份占55%股權；BYD占45%股權，經營范圍包括離子滲透微孔薄膜、功能性聚合物膜片、絕緣薄膜、各種用途半透膜等環保用有機膜類制品，擁有特種電池用離子滲析微孔薄膜生產量力756萬平方米/年。根據佛塑股份最新通告：預計金輝高科2008年實現營業收入7592萬元，凈利潤3585萬元。
3.6鋰離子電池電解液廠家情況
綜合來說，鋰離子電池電解液是個需求量大，毛利率較高的部分，具有巨大的投資價值，現階段國內市場上，江蘇國泰華榮、珠海賽緯電子、天津金牛等公司具有一定的優勢。
國泰華榮是江蘇國泰控股的一家以有機硅材料、鋰離子電池材料為發展方向的國家重點高新技術公司。公司裝備技術、生產規模、技術水平和市場占有率在國內均處于領先地位。其電解液產品包括一次鋰離子電池電解液、二次鋰離子電池電解液、動力鋰電池電解液和超級電容器電解液等。2008年公司電解液年產量達到3000噸，產量在國內排名第一，占國內30%市場份額，在全球排名第五位。目前公司在江蘇揚子江化工園區新建了5000萬噸產量，廠房已經建設完畢，預計09年10-十一月正式生產。
珠海市賽緯電子材料有限公司是一家新成立的高科技民營公司，一期投資1000萬元人民幣新建產量為年產1000噸的鋰離子電池，鋰離子電池和超級電容器電解液生產線，廠區占地面積3000平方米，重要生產和銷售功能型電解液：提高鋰離子電池高溫性能，安全性和低溫性能等鋰離子電池和聚合物電池電解液，為客戶量身定制適用于錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料，改性天然石墨等正負極材料的電解液。
天津金牛電源材料有限責任公司是由河北邢臺礦業（集團）有限責任公司與天津化工研究設計院共同出資組建的。現已建成的成套的電解質鹽生產、溶劑精制、電解液配制和包裝生產線，重要產品有：六氟磷酸鋰（規模為80噸/年）、高純溶劑（規模為500噸/年）、鋰離子電池用電解液以及相關電池材料。天津金牛公司是國內唯一一家采用自主研發技術、國產原料與裝備生產六氟磷酸鋰產品的公司。
3.7電芯制造廠家情況
電芯生產由于生產工藝和技術相對成熟，在有穩定的正極材料貨源情況下，國內大部分鋰離子電池廠商均能生產出磷酸鐵鋰電芯，但由于制造動力鋰電池涉及到電芯的組合，必須保證電芯的一致性，這樣對電池的生產設備提出了更高更專業的要求，所以設備資金投入很大，一般來說，建設一條磷酸鐵鋰電芯生產線至少要5000萬元的啟動資金。創業公司在進入這一領域會非常困難，傳統的電池生產公司將具有較大的優勢。下表列出了國內電芯生產的重要公司及其情況。
