磷酸鐵鋰電池

在LiFePO4的晶體結構中，氧原子呈六方緊密堆積排列。PO4四面體和FeO6八面體構成晶體的空間骨架，Li和Fe佔據八面體空隙，而P佔據四面體空隙，其中Fe佔據八面體的共角位置，Li佔據八面體的共邊位置。FeO6八面體在晶體的bc面上相互連接，b軸方向上的LiO6八面體結構相互連接成鏈狀結構。1個FeO6八面體與2個LiO6八面體和1個PO4四面體共棱。

由於FeO6共邊八面體網路不連續，致使不能形成電子導電；同時，PO4四面體限制了晶格的體積變化，影響了Li+的脫嵌和電子擴散，導致LiFPO4正極材料電子導電率和離子擴散效率極低。

LiFePO4電池的理論比容量較高（約為170mAh/g），放電平台是3.4V。Li在正負兩極之間往返脫－嵌實現充放電，充電時發生氧化反應，Li從正極遷出，經電解液嵌入負極，鐵從Fe變成Fe，發生氧化反應。

磷酸鐵鋰電池的充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。

電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然後穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，而後嵌入石墨晶格中。

與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，再經導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵。

電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，然後穿過隔膜，經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然後重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。

與此同時，電子經導電體流向負極的銅箔集電極，經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體后，磷酸鐵轉化為磷酸鐵鋰。

磷酸鐵鋰的合成工藝已基本完善，主要分為固相法和液相法。其中以高溫固相反應法最為常用，也有研究者將固相法中的微波合成法及液相法中的水熱合成法結合使用——微波水熱法。

另外，磷酸鐵鋰的合成方法還包括仿生法、冷卻乾燥法、乳化乾燥法、脈衝激光沉積法等，通過選擇不同的方法，合成粒度小、分散性能好的產物，可以有效縮短Li+的擴散路徑，兩相間的接觸面積增大，Li的擴散速度加快。

我國《節能與新能源汽車產業發展規劃》中提出“我國新能源汽車發展的總體目標是：到2020年，新能源汽車累計產銷量達到500萬輛，我國節能與新能源汽車產業規模位居世界前列”。磷酸鐵鋰電池由於其在安全性、成本低等優點廣泛應用於乘用車、客車、物流車、低速電動車等，雖然，在當前新能源乘用車領域，受國家對新能源汽車補貼政策影響，憑藉能量密度的優勢，三元電池佔據著主導地位，但是磷酸鐵鋰電池仍在客車、物流車等領域佔據不可替代的優勢。客車領域，磷酸鐵鋰電池在2018年第5批、第6批、第7批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》（以下簡稱《目錄》）中佔比約為76%、81%、78%，依舊保持主流。專用車領域，磷酸鐵鋰電池在2018年第5批、第6批、第7批《目錄》中佔比分別約30%、32%、40%，應用比例逐步增加。

中國工程院院士楊裕生認為，將磷酸鐵鋰電池用於增程式電動汽車市場，不但能提高車輛的安全性，還能支持增程式電動汽車的市場化，免除純電動汽車的里程、安全、價格、充電、後續電池問題等焦慮。在2007年-2013年期間，許多車企都上馬了增程式純電動汽車的項目。

啟動型磷酸鐵鋰電池除具備動力鋰電池特性外，還具備瞬間大功率輸出能力，用能量小於一度電的功率型鋰電池代替傳統的鉛酸電池，用BSG電機代替傳統的啟動電機和發電機，不但具有怠速啟停功能，還具有發動機停機滑行、滑行與制動能量回收、加速助力和電巡航功能。

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電率小、無記憶效應、綠色環保等一系列獨特優點，並且支持無級擴展，適合於大規模電能儲存，在可再生能源發電站發電安全併網、電網調峰、分散式電站、UPS電源、應急電源系統等領域有著良好的應用前景。

根據國際市場研究機構GTM Research近日發布的最新儲能報告顯示，2018年中國的電網側儲能項目的應用卻使磷酸鐵鋰電池用量持續增加。

隨著儲能市場的興起，近年來，一些動力電池企業紛紛布局儲能業務，為磷酸鐵鋰電池開拓新的應用市場。一方面，磷酸鐵鋰由於超長壽命、使用安全、大容量、綠色環保等特點，可向儲能領域轉移將會延長價值鏈條，推動全新商業模式的建立。另一方面，磷酸鐵鋰電池配套的儲能系統已經成為市場的主流選擇。據報告，磷酸鐵鋰電池已經嘗試用於電動公交車、電動卡車、用戶側以及電網側調頻。

1）風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全併網。風力發電自身所固有的隨機性、間歇性和波動性等特徵，決定了其規模化發展必然會對電力系統安全運行帶來顯著影響。隨著風電產業的快速發展，特別是我國的多數風電場屬於“大規模集中開發、遠距離輸送”，大型風力發電場併網發電對大電網的運行和控制提出了嚴峻挑戰。

光伏發電受環境溫度、太陽光照強度和天氣條件的影響，光伏發電呈現隨機波動的特點。我國呈現出“分散開發，低電壓就地接入”和“大規模開發，中高電壓接入”並舉的發展態勢，這就對電網調峰和電力系統安全運行提出了更高要求。

因此，大容量儲能產品成為解決電網與可再生能源發電之間矛盾的關鍵因素。磷酸鐵鋰電池儲能系統具有工況轉換快、運行方式靈活、效率高、安全環保、可擴展性強等特點，在國家風光儲輸示範工程中開展了工程應用，將有效提高設備效率，解決局部電壓控制問題，提高可再生能源發電的可靠性和改善電能質量，使可再生能源成為連續、穩定的供電電源。

隨著容量和規模的不斷擴大，集成技術的不斷成熟，儲能系統成本將進一步降低，經過安全性和可靠性的長期測試，磷酸鐵鋰電池儲能系統有望在風力發電、光伏發電等可再生能源發電安全併網及提高電能質量方面得到廣泛應用。

2）電網調峰。電網調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由於抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且佔地面積大，維護成本高。採用磷酸鐵鋰電池儲能系統取代抽水蓄能電站，應對電網尖峰負荷，不受地理條件限制，選址自由，投資少、佔地少，維護成本低，在電網調峰過程中將發揮重要作用。

3）分散式電站。大型電網自身的缺陷，難以保障電力供應的質量、效率、安全可靠性要求。對於重要單位和企業，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。磷酸鐵鋰電池儲能系統可以減少或避免由於電網故障和各種意外事件造成的斷電，在保證醫院、銀行、指揮控制中心、數據處理中心、化學材料工業和精密製造工業等安全可靠供電方面發揮重要作用。

4）UPS電源。中國經濟的持續高速發展帶來的UPS電源用戶需求分散化，使得更多的行業和更多的企業對UPS電源產生了持續的需求。

磷酸鐵鋰電池相對於鉛酸電池，具有循環壽命長、安全穩定、綠色環保、自放電率小等優點，隨著集成技術的不斷成熟，成本的不斷降低，磷酸鐵鋰電池在UPS電源蓄電池方面將得到廣泛應用。

磷酸鐵鋰電池因其良好的循環使用壽命、安全性、低溫性能等優勢，在軍事領域也得到的廣泛的應用。2018年10月10日，山東某電池企業強勢亮相首屆青島軍民融合科技創新成果展，展出了包括-45℃軍用超低溫電池等軍工產品。

一般來說，電動車退役磷酸鐵鋰電池仍有接近80%的容量剩餘，距離60%徹底報廢容量下限仍有20%的容量，可用於比汽車電能要求更低的場合，如低速電動車、通訊基站等，實現廢舊電池的梯次利用。從汽車上退役下來的磷酸鐵鋰電池仍有較高的利用價值。動力電池的梯次利用流程如下：企業回收退役電池—拆解—檢測分級—按容量分類—電池模塊重組。在電池製備水平下，廢舊磷酸鐵鋰電池的剩餘能量密度可以達到60~90 Wh/kg，再循環壽命可以達到400~1000次，隨電池製備水平的提高，再循環壽命還可能進一步提升，與能量為45 Wh/kg、循環壽命約500次的鉛酸電池相比，廢舊磷酸鐵鋰電池仍然具有性能優勢。而且廢舊磷酸鐵鋰電池成本較低，僅為4000~10000元/t，具有很高的經濟性。

磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、綠色環保等一系列獨特優點，並且支持無級擴展，組成儲能系統后可進行大規模電能儲存。磷酸鐵鋰電池儲能系統由磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統（Battery Management System，BMS）、換流裝置（整流器、逆變器）、中央監控系統、變壓器等組成。

充電階段，間歇式電源或電網為儲能系統進行充電，交流電經過整流器后整流為直流電向儲能電池模塊進行充電，儲存能量；放電階段，儲能系統向電網或負載進行放電，儲能電池模塊的直流電經過逆變器逆變為交流電，通過中央監控系統控制逆變輸出，可實現向電網或負載提供穩定功率輸出。

安全性能的改善

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發現有小部分樣品出現燃燒現象，但未出現一例爆炸事件，而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電，發現依然有爆炸現象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。

壽命的改善

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。

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，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，起動電流可達2C,而鉛酸電池無此性能。

高溫性能好

磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度範圍寬廣（-20C--+75C），有耐高溫特性。

大容量

具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量。5AH-1000AH（單體）

無記憶效應

可充電池在經常處於充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低於額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

重量輕

同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。

環保

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，符合歐洲RoHS規定，為絕對的綠色環保電池證。所以鋰電池之所以被業界看好，主要是環保考量，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃，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將迅速增大，而進入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。

但有專家表示，鉛酸電池造成的環境污染，主要發生在企業不規範的生產過程和回收處理環節。同理，鋰電池屬於新能源行業不錯，但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都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；二是報廢以後的電池污染。

磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大於鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢。而用於動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。

動力電池的對比

目前最有希望應用於動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）和鎳鈷錳酸鋰（Li(Ni,Co,Mn)O2）三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由於鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定範圍內混合使用。

行業應用

塗碳鋁箔為鋰電產業帶來技術革新和產業提升

提升鋰電產品性能，改善放電倍率

隨著國內電池廠商對電池性能要求的日益提高，國內普遍認同新能源電池材料：導電材料＆導電塗層鋁箔/銅箔。

其優勢在於：在處理電池材料的時候，常擁有高倍率充放電性能好，較大比容量，但循環穩定性較差，衰減較為嚴重等原因，不得不做取捨放棄。

這是個神奇的塗層，將電池的性能提高，帶入新紀元。

導電塗層是由分散好的納米導電石墨包覆顆粒等所組成。它能提供極佳的靜態導電性能，是一層保護能量吸收層。它也能提供好的遮蓋防護性能。塗層有水性的和溶劑性的，能應用在鋁片，銅片，不鏽鋼，鋁和鈦雙極板上。

塗碳塗層對鋰電池的性能帶來以下提升

1.降低電池內阻，抑制充放電循環過程中的動態內阻增幅；

2.顯著提高電池組的一致性，降低電池組成本；

3.提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片製造成本；

4.減小極化，提高倍率性能，減低熱效應；

5.防止電解液對集流體的腐蝕；

6.綜合因子進而延長電池使用壽命。

7.塗層厚度：常規單面厚1～3μm。

日本和韓國近幾年主要開發以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動力型鋰離子電池，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。美國主要開發以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰離子電池，如A123系統公司、Valence公司，但美國的主要汽車廠家在其PHEV與EV中卻選擇錳基正極材料體系動力型鋰離子電池，並且據說美國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採取和其它國家電池公司合作的方式發展電動汽車，如戴姆勒賓士和法國Saft聯盟、德國大眾與日本三洋協議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發和生產動力型鋰離子電池。

一種材料是否具有應用發展潛力，除了關注其優點外，更為關鍵的是該材料是否具有根本性的缺陷。

國內現在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰離子電池的正極材料，從政府、科研機構、企業甚至是證券公司等市場分析員都看好這一材料，將其作為動力型鋰離子電池的發展方向。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公司最早採用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內一直沒有製備出可供動力型鋰離子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、在磷酸鐵鋰製備時的燒結過程中，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。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因。

2、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，導致鋰離子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，他用terrible來形容，他們對磷酸鐵鋰型鋰離子電池測試結果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下（0℃以下）無法使電動汽車行駛。儘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，但是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。

3、材料的製備成本與電池的製造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆儘管提高了材料的電化學性能，但是也帶來了其它問題，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。儘管磷酸鐵鋰中的化學元素Li，Fe與P很豐富，成本也較低，但是製備出的磷酸鐵鋰產品成本並不低，即使去掉前期的研發成本，該材料的工藝成本加上較高的製備電池的成本，會使得最終單位儲能電量的成本較高。

4、產品一致性差。目前國內還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料製備角度來說，磷酸鐵鋰的合成反應是一個複雜的多相反應，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。在這一複雜的反應過程中，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專利申請在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得，並於同年8月19日公布申請結果。磷酸鐵鋰的基礎專利被美國德州大學所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。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的話，那產品成本將會進一步提高。

此外，從研發和生產鋰離子電池的經驗來看，日本是鋰離子電池最早商業化的國家，並且一直佔據著高端鋰離子電池市場。而美國儘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離子電池生產企業。因此，日本選擇改性錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料更有其道理。即使是在美國，利用磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為動力型鋰離子電池正極材料的廠家也是各佔一半，聯邦政府也是同時支持這兩種體系的研發。鑒於磷酸鐵鋰存在的上述問題，很難作為動力型鋰離子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，憑藉其低成本與高倍率性能的優勢，在動力型鋰離子電池中的應用將有巨大的潛力。

磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，簡稱為磷酸鐵鋰電池。由於它的性能特別適於作動力方面的應用，則在名稱中加入“動力”兩字，即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為“鋰鐵（LiFe）動力電池”。

意義

金屬交易市場，鈷（Co）最貴，並且存儲量不多，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，採用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。

作為充電電池的要求是：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、電化學穩定性能、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）、工作溫度範圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。採用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環次數）、對環境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動力電池。

結構與工作原理

LiFePO4電池的內部結構如圖1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，電池由金屬外殼密閉封裝。

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。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

主要性能

LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於各個生產廠家採用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同，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），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。

磷酸鐵鋰動力電池主要性能列於表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這裡要說明的是，不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數上會有一些差別；另外，有一些電池性能未列入，如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。

表1磷酸鐵鋰動力電池主要性能參數

磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。這裡再介紹一種目前應用較廣的小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm（型號為18650），其參數性能如表2所示。

表2小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數

過放電到零電壓試驗

採用STL18650（1100mAh）的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然後用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期后再用0.5C充電率充滿，然後用1.0C放電。最後比較兩種零電壓存放期不同的差別。

試驗的結果是，零電壓存放7天後電池無泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天後，無泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天後的電池再做3次充放電循環，容量又恢復到100%。

這試驗說明該電池即使出現過放電（甚至到0V），並存放一定時間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

通過上述介紹，LiFePO4電池可歸納下述特點。

高效率輸出：標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈衝放電（10S）可達20C；

高溫時性能良好：外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好；

即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好；

極好的循環壽命，經500次循環，其放電容量仍大於95%；

過放電到零伏也無損壞；

可快速充電；

低成本；

無記憶效應：可充電池在經常處於充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低於額定容量值，這種現象叫做記憶效應。鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

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

對環境無污染，該電池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，符合歐洲ROHS規定，為絕對的綠色環保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，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。。

由於磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，並且生產出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有：

大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點遊覽車及混合動力車等；

輕型電動車：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；

電動工具：電鑽、電鋸、割草機等；

遙控汽車、船、飛機等玩具；

太陽能及風力發電的儲能設備；

UPS及應急燈、警示燈及礦燈（安全性最好）；

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）；

小型醫療儀器設備及攜帶型儀器等。

這裡舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應用實例。採用36V/10Ah（360Wh）的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數約100次，使用時間約1年。若採用磷酸鐵鋰動力電池，採用同樣的360Wh能量（12個10Ah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。雖然說磷酸鐵鋰動力電池的價格較鉛酸電池高得多，但總的經濟效果還是採用磷酸鐵鋰動力電池更好，並且在使用上更輕便。

鋰離子動力電池的性能主要取決於正負極材料，磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現的事，國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的，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。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯使用。以滿足電動車頻繁充放電的需要。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，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。

本項目屬於高新技術項目中功能性能源材料的開發，是國家“863”計劃、“973”計劃和“十一五”高技術產業發展規劃重點支持的領域。

鋰離子電池的正極為磷酸鐵鋰材料，其安全性能與循環壽命有較大優勢，這些也正是動力電池最重要的技術指標之一。1C充放循環壽命可做到2000次，穿刺不爆炸，過充時不容易燃燒和爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易並串聯使用。

最近，有關新型電池取得進展、有望取代傳統鋰電池的報道接連不，讓我們看到了手機、平板擁有更長續航時間的希望，不過可惜大部分都停留在實驗室研究階段，何時乃至能否大規模投入商用都不好說。2012年8月，新能源公司Deboch TEC.GmbH又帶來了一種更接近現實的新能源技術：含鐵的鋰電池。

Deboch TEC.GmbH公布的磷酸鐵鋰電池技術白皮書顯示，在使用複合納米材料后，單節32650規格(直徑32mm/長度65mm)電芯的能量密度能夠提升到6000mAh，與當前業界32650規格單節5000mAh的規格相比，同等體積提升了足足1000mAh，也就是20%之多，1節就能給iPhone 4S手機反覆充電差不多4次。

更令人欣喜的是，在單顆低倍率充放電環境下使用，這種電池在循環使用多達3000次后，電量依舊保持在80%左右，而普通鋰電池循環充電500次左右就這德行了。按照每3天充放電一次計算，可以連續使用24年之久，是名符其實的長壽電池。

這種新型電池技術可以廣泛應用於便攜移動電源、小型UPS、筆記本電池、汽車電瓶等各種設備，而且針對不同使用環境，Deboch TEC.GmbH還按照循環充電次數的差異使用了不同的電芯顏色：面向軍工級的為金色，循環次數為3000次；民用汽車領域中使用藍色，2500次；綠色的、2000次的適用於小型攜帶型移動設備。

（1）工作溫度範圍

電池組在下列環境溫度條件下使用：

——充電環境溫度：−10℃～55℃；

——放電環境溫度：−20℃～60℃。

（2）電氣性能

電池模塊內電芯性能一致性。

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的靜態開路電壓最大值與最小值的差值應不大於0.05V；

2）電池模塊內各電芯之間的靜態內阻最大值與最小值的差值應符合：10mW以下的，偏差絕對值不超過0.5mW，10mW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

電池組容量應不低於額定值的95%。

（4）循環壽命

電池組的循環壽命應為800次～2000次。

（5）高溫加速老化壽命

電池組按規定進行充電後放電，其外觀應無明顯變形、鏽蝕、冒煙或爆炸，其測試循環次數應不少於52次。

（6）電磁兼容性

1）靜電放電抗擾性。電池組應滿足GB/T17626.2-2006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，並能正常工作。

2）傳導騷擾限值。

3）輻射騷擾限值。電池組應滿足YD/T983-1998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，並能正常工作。

4）浪涌（衝擊）抗擾性。電池組應滿足GB/T17626.5-2008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，並能正常工作。

（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1的要求。

表1顯示精度

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）通信介面。電池組宜具有RS232或RS485/422、IP、USB等標準通信介面，通信協議參見YD/T1363.3中的蓄電池檢測裝置通信協議，應提供與通信介面配套使用的通訊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/PCBA板（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/過流告警、電池組放電欠壓/過流告警、電芯充電過壓告警、電芯放電欠壓告警、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/電流感測器失效告警、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。電池組處於過充電狀態時，應切斷充電電路並告警，電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

2）過放電保護。電池組放電至終止電壓后，應切斷放電電路並告警，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，應瞬間切斷電路並告警，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，電池組電壓應不小於標稱電壓。

4）反接保護。電池組規定進行試驗

5）過載保護。電池組放電電流達到過載保護電流值時，應切斷電路並告警，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，電池組電壓應不小於標稱電壓。

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

表2溫度保護

（10）安全性能分類

1）抗重物衝擊。電池組按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

2）抗熱衝擊。電池組按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

3）抗過充電。電池模塊按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

4）抗過放電。電池模塊按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

5）抗短路。電池模塊按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

6）高溫儲存。電芯按規定進行試驗，應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

7）抗加熱。電池模塊按規定進行試驗，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。電池組按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

9）抗擠壓。電池模塊按規定進行試驗，應不起火、不爆炸。

10）抗低壓。電池組按規定進行試驗，應不漏液、冒煙、起火或爆炸。

11）恆定濕熱。電池組按規定進行試驗后，其外觀應無明顯變形、鏽蝕、冒煙或爆炸，其容量應不低於額定值的90%。

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

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

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

（12）阻燃性能。對於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/T2408-2008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。對於金屬外殼的電池組，電池組正負極介面分別對電池組金屬外殼的絕緣電阻不小於2MW。

增長迅速，報廢量大

自電動車行業發展以來，中國是全球磷酸鐵鋰最大的消費市場。尤其是2012—2013年以近200%的速率在增長，2013年中國磷酸鐵鋰的銷量約為5797t，佔全球銷量的50%以上。

2014年，75%的磷酸鐵鋰正極材料銷售到中國，磷酸鐵鋰電池的理論壽命為7～8年（以7年計算），可預計到2021年將有約9400t的磷酸鐵鋰報廢，如此龐大的廢棄量如若不加以處理，帶來的不僅僅是環境污染，更是能源浪費以及經濟損失。

危害顯著

磷酸鐵鋰電池中含有的LiPF6、有機碳酸酯、銅等化學物質均在國家危險廢物名錄中。LiPF6有強烈的腐蝕性，遇水易分解產生HF；有機溶劑及其分解和水解產物會對大氣、水、土壤造成嚴重的污染，並對生態系統產生危害；銅等重金屬在環境中累積，最終通過生物鏈危害人類自身；磷元素一旦進入湖泊等水體，極易造成水體富營養化。由此可見，如若對廢棄的磷酸鐵鋰電池不加以回收利用，對環境及人類健康都是極大危害。

回收技術不成熟

現有的資料表明，廢舊磷酸鐵鋰電池的回收處理分為兩種：一種是回收金屬，另一種是再生磷酸鐵鋰正極材料。

（1）濕法回收鋰和鐵

此類工藝以回收鋰為主，因磷酸鐵鋰不含有貴金屬，故對鈷酸鋰的回收工藝進行改造。首先將磷酸鐵鋰電池拆解得到正極材料，粉碎篩分得到粉料；之後將鹼溶液加入到粉料中，溶解鋁及鋁的氧化物，過濾得到含鋰、鐵等的濾渣；將濾渣用硫酸與雙氧水（還原劑）的混合溶液浸出，得到浸出液；加鹼沉澱氫氧化鐵，過濾得到濾液；灼燒氫氧化鐵，可得氧化鐵；最後調節浸出液的pH值（5.0～8.0），過濾浸出液得濾液，加固體碳酸鈉濃縮結晶得碳酸鋰。

（2）再生磷酸鐵鋰

單一回收某種元素使得不含有貴重金屬的磷酸鐵鋰回收產生的經濟效益比較低。因此，主要是固相法再生磷酸鐵鋰處理廢舊磷酸鐵鋰電池，此工藝具有很高的回收效益，且資源的綜合利用率高。

首先將磷酸鐵鋰電池拆解得到正極材料，粉碎篩分得粉料；之後熱處理去除殘留的石墨和粘結劑，再將鹼溶液加入到粉料中，溶解鋁及鋁的氧化物；過濾得含鋰、鐵等的濾渣，分析濾渣中鐵、鋰、磷的摩爾比，添加鐵源、鋰源和磷源，將鐵、鋰、磷的摩爾比調整為1∶1∶1；加入碳源，球磨后在惰性氣氛中煅燒得到新的磷酸鐵鋰正極材料。

回收利用體系不完善

國家“863”計劃、“973“計劃和“十一五”高技術產業發展規劃均將磷酸鐵鋰電池劃分為重點支持領域，但該電池生產技術要求比較嚴格，導致電池價格較高，僅用於電動摩托車和少量的汽車上。因此，車用動力電池尚未出現大批量報廢的情況，系統專業的車用動力電池回收利用體系亦尚未建立。現有的回收體系存在一定的問題，而且回收效率低下。

這種問題主要由以下幾方面造成：

（1）可回收量少

大量的廢舊電池分散在國民手中，但是民眾沒有投放的地方，因而隨著生活垃圾一起處理，從而使得從個人中回收的報廢電池幾乎為零，絕大部分回收的是生產企業生產過程中產生的廢料或者是庫存舊料，回收到的大型動力電池數量更是少之又少。

（2）回收系統不健全

專門回收電池的系統國內尚未建立，主要是小作坊的粗放式收集。我國是鋰離子電池的生產及消費大，但由於人口眾多，使得電池人均保有量相對較少。長久以來回收公司對不具有回收價值的單個鋰離子電池並未進行回收。

（3）准入門檻高

企業欲從事廢舊電池的回收與處理，必須按照《中華人民共和國環境保護法》和《危險廢物經驗許可證管理辦法》的規定申請危險廢物經營許可證，但是能達到大規模回收資質的企業並不多，反而是那些規模小、技術低下的公司數量眾多，造成電池無法集中收集的難題。

（4）回收成本高

大量的磷酸鐵鋰材料應用於動力或儲能電池正極，需求量遠遠大於普通小型電池，對其進行回收具有很高的社會價值，但回收成本較高，且磷酸鐵鋰電池中不含有貴重金屬，經濟價值較低。

（5）回收意識薄弱

長期以來，我國對於廢舊電池回收利用方面的宣傳教育很少，致使公民缺乏對於廢舊電池污染危害的深入認識，沒有形成自覺回收的意識。

退役磷酸鐵鋰電池中不具備梯次利用價值的電池及梯次利用后的電池最終要進入到拆解回收階段。磷酸鐵鋰電池與三元材料電池不同的是，不含重金屬，回收主要是Li、P、Fe，回收產物附加值較低，需要開發低成本的回收路線。主要有火法和濕法2種回收方式。

火法回收工藝

傳統的火法回收一般是高溫焚燒電極片，將電極碎片中的碳和有機物燃燒掉，不能被燃燒掉的剩餘灰分最終經篩選得到含有金屬和金屬氧化物的細粉狀材料。該法工藝簡單，但處理流程長，有價金屬綜合回收率較低。改進后的火法回收技術是通過煅燒去除有機粘結劑，使磷酸鐵鋰粉末與鋁箔片分離，獲得磷酸鐵鋰材料，之後再在其中加入適量原料以得到所需的鋰、鐵、磷的摩爾比，經高溫固相法合成新的磷酸鐵鋰。據成本測算，磷酸鐵鋰廢舊電池經改進后的火法干法回收，可實現盈利，但按此回收工藝新製備的磷酸鐵鋰雜質多，性能不穩定。

濕法回收工藝

濕法回收主要是通過酸鹼溶液溶解磷酸鐵鋰電池中的金屬離子，進一步利用沉澱、吸附等方式將溶解的金屬離子以氧化物、鹽等形式提取出來，反應過程中多數使用H2SO4、NaOH和H2O2等試劑。濕法回收工藝簡單，設備要求不高，適合工業規模化生產，是學者們研究的最多，也是國內主流的廢舊鋰離子電池處理路線。

磷酸鐵鋰電池濕法回收以回收正極為主。採用濕法工藝回收磷酸鐵鋰正極時，首先要將鋁箔集流體與正極活性物質分離。方法之一是釆用鹼液溶解集流體，而活性物質不與鹼液反應，可以通過過濾獲得活性物質。方法之二是用有機溶劑溶解粘結劑PVDF，使磷酸鐵鋰正極材料與鋁箔脫離，鋁箔重新利用，活性物質可進行後續的處理，有機溶劑可經過蒸餾處理，實現其循環使用。兩種方法相比，第二種更環保安全。正極中磷酸鐵鋰的回收一種是生成碳酸鋰。此種回收方式成本較低，被多數磷酸鐵鋰回收企業所採納，但磷酸鐵鋰的主要成分磷酸鐵（含量95%）沒有被回收，造成資源浪費。

較理想的濕法回收方式為將廢舊磷酸亞鐵鋰正極材料轉化為鋰鹽和磷酸鐵，實現Li、Fe、P的全元素回收。磷酸亞鐵鋰要想變成鋰鹽和磷酸鐵，需要將亞鐵氧化為三價鐵，採用酸浸或鹼浸將鋰浸出。有學者採用氧化煅燒分離出鋁片及磷酸鐵鋰，之後經硫酸浸出、分離得到粗磷酸鐵，溶液除雜用碳酸鈉沉澱成碳酸鋰；濾液蒸髮結晶得到無水硫酸鈉產品作為副產物出售；粗磷酸鐵進一步精製得到電池級磷酸鐵，可以用於磷酸鐵鋰材料的製備。該工藝經過多年的研究，已經相對成熟。