磷酸鐵鋰電池是鋰離子電池的一種，其正極材料為磷酸亞鐵鋰。磷酸鐵鋰電池是由美國德克薩斯大學Goodenough團隊于1997年提出的。2004年，第一款磷酸亞鐵鋰動力電池出現(xiàn)。同年，它進入中國市場。2009年被應用于儲能。2014年，中國政府開始推動國內電動汽車的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池在中國開發(fā)。后期技術發(fā)展突破了電池本身的缺點，在2020年進入了中國磷酸鐵鋰電池發(fā)展的第二春。

磷酸鐵鋰電池由正極磷酸亞鐵鋰材料、負極（一般為石墨）、聚合物隔膜和電解液組成，由金屬外殼封裝而成。電池的正負極分別與鋁箔和銅箔連接。它的充放電工作依賴于鋰離子在正負極之間的運動:充電時，鋰離子從正極脫嵌并通過電解液嵌入負極；在放電過程中，鋰離子從負極脫嵌并通過電解質嵌入正極。它具有密度高、單體電壓高、循環(huán)壽命長、安全性能好的優(yōu)點，在高溫高熱環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性。缺點是耐低溫性差，電子電導率低。磷酸鐵鋰電池廣泛應用于新能源汽車、儲能等領域。主要制造商是比亞迪、郭萱高新技術股份有限公司和LG新能源。

2023年8月16日下午，全球領先的動力電池公司當代安培科技有限公司發(fā)布了全球首款4C充電電池——沈星充電電池，該電池采用磷酸亞鐵鋰材料制成，可實現(xiàn)量產。這款電池不僅實現(xiàn)了“充電10分鐘續(xù)航400公里”的超快充電速度，還達到了700公里以上的續(xù)航里程，全面開啟了新能源汽車的超充時代。

磷酸鐵鋰電池由金屬外殼封裝，電池的正負極分別與鋁箔和銅箔連接。其內部結構如下:左側為正極，中間為聚合物隔膜，右側為負極，電池上下兩端為電解液。其中只有鋰離子可以通過隔膜。磷酸鐵鋰電池的內部結構如下圖所示。

正極磷酸亞鐵鋰材料：為橄欖石結構，屬正交晶系。其中，原子以六邊形密排方式排列，原子和原子分別位于原子八面體的中心4a和4c的位置，并分別形成一個和八面體；位于四面體的4c位置，從而形成四面體。磷酸亞鐵鋰的結構示意圖如下圖所示。

磷酸亞鐵鋰常用的制備方法包括固相反應法、水熱法和溶膠-凝膠法。

固態(tài)反應:將碳酸鹽（或磷酸鹽、氫氧化物）、磷酸二氫銨和草酸亞鐵（或磷酸亞鐵和乙酸亞鐵）混合，在500-800攝氏度的高溫下煅燒數(shù)小時，生成粉末。雖然固相法所得產品的電化學性能較差，但其所需設備和制造工藝簡單，適合工業(yè)化生產。

水熱法:在高溫高壓下，在水或蒸汽等流體中進行的反應。水熱法制備工藝簡單，產物粉體粒徑小，但僅適用于少量粉體的制備。如果準備量太大，成本就會增加。

溶膠-凝膠法:利用前驅體溶液合成凝膠，并在一定條件下對凝膠進行熱處理以制備粉末。該方法制備的粉體粒徑小、分布窄、燒結性能好、設備簡單、制備過程容易控制，但合成周期長，難以用于工業(yè)生產。

回收法

正極材料的回收方法主要有兩種:濕法冶金回收和再生修復。

濕法冶金回收:濕法冶金回收是指無機酸等。用于完全浸出元素，如、等。然后通過添加氧化劑將浸出液氧化成，然后將浸出體系的pH值調節(jié)到固相的穩(wěn)定區(qū)，以促進氧化元素與浸出液結合而沉淀，從而與溶液分離；去除后，高酸度的溶液可反復浸出實現(xiàn)富集，然后調節(jié)pH值至10-11加入；高濃度液體可以轉化為沉淀物進行回收。該技術仍然面臨試劑浪費、工藝復雜和效率低的問題。

再生修復法:再生修復法是通過短流程將廢舊材料再生為新材料。新材料可用于制備磷酸鐵鋰電池的正極材料。工藝流程短，所需試劑成本低，修復得到的產品附加值高，經濟效益好。

負極：磷酸鐵鋰電池的負極材料一般是石墨。石墨具有完整的層狀晶體結構，結構穩(wěn)定性高，導電性好，無毒，機械性能好，成本低，是主要的商業(yè)化陽極材料。還有負極材料為硅的磷酸鐵鋰電池。例如，郭萱高新2021年1月發(fā)布的磷酸鐵鋰電池首次應用了硅負極材料。在負極中，銅箔價格昂貴，回收工藝簡單，回收價值高。回收的石墨粉經改性后有望在電池生產中循環(huán)使用。負極主要以水基粘結劑為主，可直接溶解于水溶液中，負極材料與集流體銅箔可通過簡單工藝分離。

聚合物隔膜：隔膜的主要功能是防止正極和負極接觸，并為電解液中的鋰離子提供通道。聚乙烯PP隔膜因其高一致性和低成本而成為商業(yè)中最常見的隔膜。

浴液：電解質可以在正極和負極之間傳導鋰離子。因此，電解質應具有高離子電導率、良好的熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。磷酸鐵鋰電池的電解液主要由碳酸鹽溶劑、鋰鹽和添加劑組成。六氟磷酸鋰目前最重要的商業(yè)鋰鹽。電解液的回收包括真空熱解、有機溶劑萃取和超臨界回收。

真空熱解是在回收廢舊電池的過程中同時處理電解液。分離后的陰極材料置于真空爐中，系統(tǒng)壓力小于1kPa，揮發(fā)份進入冷凝器通過高溫加熱冷凝，不可壓縮氣體由真空泵抽出，最終富集回收。

有機溶劑萃取法是通過加入適當?shù)挠袡C溶劑作為萃取劑將電解質轉移到萃取劑中。萃取后，萃取產物溶液中各組分的不同沸點用于蒸餾或分餾以收集或分離電解質。超臨界回收法是指以超臨界為萃取劑，將吸附在隔膜中的電解液與鋰離子電池活性物質分離的過程。

殼：外殼主要用于保護電池的內部材料，以防止電池受到外部壓力而變形（尤其是隔膜，其剛度最低），這將影響電池的安全性和壽命。磷酸鐵鋰電池根據外殼材料不同可分為硬殼磷酸鐵鋰電池和軟殼磷酸鐵鋰電池。硬殼磷酸鐵鋰電池采用鋁殼封裝，而軟包磷酸鐵鋰電池只是在液態(tài)鋰離子電池上覆蓋了一層鋁塑膜。相比之下，硬殼磷酸鐵鋰電池更重，其容量略小于同規(guī)格的軟包磷酸鐵鋰電池，但其電池保護性能優(yōu)于軟包磷酸鐵鋰電池。由于其內部電池為液體，形狀不固定，因此可根據不同需求定制柔性磷酸鐵鋰電池。

正極材料的理論電化學比容量為170 Ma h/g，相對于金屬的電極電勢約為3.45V，理論能量密度為550 W h/kg。電池在兩個階段之間充電和放電。由于其結構相似，電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在充放電過程中體積變化約為6.81%。

當鋰電池充電時，它從正極逸出，穿過電解質和隔膜，并遷移到負極。此時，負極處于富鋰狀態(tài)。鋰離子從正極中提取出來后，正極轉化為磷酸鐵。放電過程正好相反。它從石墨晶體中脫出，穿過電解質和隔膜，到達磷酸亞鐵鋰的正極，并重新嵌入磷酸亞鐵鋰的晶格中。

與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池在相同質量和體積下具有環(huán)保和高能量密度的特點。作為一種鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池的性能與其他普通鋰離子電池的性能比較如下。可以發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池具有循環(huán)壽命長、安全環(huán)保等特點，適合作為動力電池。磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是常見的動力電池，其主要參數(shù)對比如下。可以發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池具有壽命長、成本低的優(yōu)點，但其能量密度和低溫性能不如三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池的主要特點總結如下:

高能量密度:磷酸亞鐵鋰的能量密度遠高于鉛酸電池。但低于三元鋰電池。

安全性能好:磷酸鐵鋰的電化學性能穩(wěn)定，在充放電過程中電池結構不易發(fā)生變化、燃燒或爆炸。

循環(huán)壽命長:其循環(huán)壽命可達2000次，是鉛酸電池的5倍、錳酸鋰電池的4.5倍、鈷酸電池和鎳氫電池的4倍。

環(huán)保:磷酸鐵鋰電池不含重金屬，綠色無污染。

然而，磷酸鐵鋰電池也存在一些缺點，包括導電性差、振實密度低和低溫性能差。

導電性很差，但可以通過化學摻雜來改善。

振實密度低導致電池尺寸較大，難以應用于小型電池，主要用作動力電池。

低溫性能較差，因此需要依靠隔熱材料在工作時保持合適的溫度。

新能源汽車動力電池：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是新能源汽車的兩種主要動力電池。2021年磷酸鐵鋰電池產量為125.4GWh，占總產量的57.1%，同比增長263%，而裝車量達到79.8GWh，占比51.7%，同比增長227.4%。2022年磷酸鐵鋰電池市場份額超越三元鋰達到55.6%，成為最重要的動力電池選擇之一。

磷酸亞鐵鋰材料的充放電過程主要由和之間的相互轉化完成。由于材料的體積變化率小且在過渡期內極其穩(wěn)定，因此磷酸鐵鋰電池的安全性和穩(wěn)定性相對較強，這也是其能夠廣泛應用于新能源汽車的主要原因。

磷酸鐵鋰電池不含重金屬成分，稀有金屬成分相對較少。磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的動力電池，也能順應碳減排政策，進一步提高我國新能源汽車產業(yè)的市場競爭力。

積聚能量：一方面，與含有稀有金屬的三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池成本更低，性價比高。另一方面，磷酸鐵鋰電池容量大、結構穩(wěn)定、安全環(huán)保，適用于電力系統(tǒng)儲能。隨著我國電化學儲能產業(yè)的快速發(fā)展，我國儲能電池出貨量增速已超過動力電池。2022年全球儲能電池出貨量達142.7GWh，同比增長204.3%。此外，根據GGII的預測，未來三年儲能領域的復合增長率將超過70%。預計2025年全球儲能電池出貨量將達到700GWh，2030年將達到2TWh。

磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池作為數(shù)據中心的儲能介質，可作為不間斷電源和儲能電站的應急備用電源。低峰期蓄電，高峰期放電，為數(shù)據中心IT設備供電，實現(xiàn)電力削峰填谷。以磷酸鐵鋰電池為儲能介質的鋰電池系統(tǒng)，既能滿足電能存儲系統(tǒng)中對儲能容量、功率規(guī)模和循環(huán)壽命的要求，又能滿足全壽命周期成本低、建設周期短、安裝維護簡單的需求。

磷酸鐵鋰電池也廣泛應用于家庭儲能，適用于普通家庭用電需求。磷酸亞鐵鋰在家庭儲能中采用的運行模式為:在用電高峰時段和光照相對充足時，系統(tǒng)能量優(yōu)先供給負載，電池超量充電；當光照不足，電池無法滿足負載的供電需求時，電網會補充剩余電能；在低谷期間，電網為負載供電，同時為電池充電。此外，常見的磷酸鐵鋰電池儲能產品還包括戶外電源、UPS等。

為推動新能源汽車產業(yè)高質量發(fā)展，中國國務院辦公廳于2020年10月20日發(fā)布了《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，其中提到，推動新能源汽車發(fā)展有助于促進綠色發(fā)展，是中國成長為汽車強國的必由之路。2022年中國新能源汽車產銷分別達到705.8萬輛和688.7萬輛，同比增長96.9%和93.4%。市場份額從2021年的13.4%上升到25.6%，出口量達到67.9萬輛，與2021年相比增長了120%。出口份額從2021年的15.4%上升至21.8%。2022年新能源汽車銷量占新車銷售總量的25.6%。

磷酸鐵鋰電池

另一方面，2022年我國風電、光伏發(fā)電新增裝機規(guī)模超過1.2億千瓦。根據全球風能理事會的市場信息平臺，2021年至2026年全球風能裝機容量將增加557GW，年均增幅不低于110GW。電池儲能市場規(guī)模迅速擴大。截至2022年底，中國新增儲能項目裝機容量達到870萬千瓦，同比增長超過110%。其中，鋰離子電池儲能技術占新增裝機技術的94.2%，處于絕對主導地位。

隨著新能源汽車產業(yè)和儲能產業(yè)的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池的需求也將大幅提升。未來的主要發(fā)展趨勢可以關注當前的局限性，提高電池的商業(yè)性能（速率、容量、動力學），改進電池回收技術和解決熱失控問題。

隨著新能源汽車市場需求的擴大，消費者對磷酸鐵鋰電池的性能要求越來越高。磷酸鐵鋰電池只有通過數(shù)百個單體串聯(lián)或并聯(lián)才能完成整車的供電，因此均衡控制是后續(xù)研究的重要方向。

另一方面，作為動力電池，磷酸鐵鋰電池退役后的回收工藝和技術有待提高。最后，隨著磷酸鐵鋰電池材料生產技術的提高，電池包的外觀尺寸進一步縮小，冷卻通道也變窄，對電池的熱失控管理系統(tǒng)的要求將變得更高。因此，電池包熱失控管理系統(tǒng)的改進是一大發(fā)展趨勢。