磷酸鐵鋰電池

鐵酸鐵鋰電池（鋰鐵磷酸鹽電池，LFP電池）是一種鋰離子電池，電池電壓為3.2V至3.3V。正極由磷酸鐵鋰（LiFePO4）組成，而不是常規的鋰鈷（III） ) 氧化物 (LiCoO2)。 負電極由嵌入鋰的石墨組成。 這種蓄能器的能量密度低于傳統蓄能器，但即使在發生機械損壞時也不會發生熱失控。

LiFePO4于1997年首次被提出作為鋰離子電池的材料。 它取代了傳統鋰電池中使用的鈷酸鋰。

早期的 LiFePO4 陰極存在離子和電子電導率低的問題，這會抑制功率密度。 通過使用 LiFePO4 納米粒子和碳涂層可以提高導電性。 例如，用釔 (LiFeYPO4) 或硫原子摻雜 LiFePO4 也可以改善技術性能。

與使用鋰鈷 (III) 氧化物 (LiCoO2) 的傳統鋰離子電池相比，在化學反應過程中不會釋放氧氣。 對于帶有鋰鈷氧化物陰極的鋰離子蓄電池，這會導致熱失控，在不利條件下會導致電池自行點火。

與傳統正極材料 (LiCoO2) 相比，磷酸鐵鋰電池中的鋰含量全部使用。 在具有 LiCoO2 陰極的電池中，僅使用了 50-60% 的鋰，否則層狀結構會變得不穩定。 當使用 Li2Mn2O4 陰極時，只能使用 50% 的可用鋰，其余部分內置于晶體中。

LiFePO4中鋰的質量分數約為4.5%（重量）。 對于能量含量為 1000 Wh 的蓄電池，磷酸鐵鋰蓄電池僅需要約 11.3 mol（≈ 80 g）的鋰，而鋰鈷或鋰則需要約 20 mol 或 140 g錳蓄電池。 磷酸鐵鋰電池的能量密度達到210Wh/kg。

LiFePO4 蓄電池沒有像鎳鎘蓄電池那樣的記憶效應。 放電期間的這種異常在正常操作中非常小且無關緊要。 磷酸鐵鋰電池可暫時存放，隨時放電和充電。 更長的存儲時間只會在完全充電和幾乎完全放電時不利于預期壽命。

確切的電壓在電池類型和制造商之間略有不同，在應用中它們可以在各自的數據表中找到。 充電終止電壓通常為 3.6-3.65 V。過充電保護電路通常響應 3.8 V。

放電終止電壓因類型而異，通常在 2.0 V 左右，有些類型也剛好超過 2.5 V。在 10% 到 90% 的充電范圍內，電池的充電和放電都只有很小的變化電池電壓。 略微降低充電終止電壓 (3.4-3.5 V) 和減少放電深度對可用循環次數和使用壽命產生積極影響。

只有少數標準化設計。 可以在圓形電池和扁平電池之間進行基本區分。

• 圓形電池主要提供低至兩位數安時范圍的充電容量。 還有一些設計符合圓形電池尺寸的非官方行業標準，類似于便攜式電池。 例如，18650和26650型號的電池使用較多，型號名稱反映了大概的尺寸，所以18650表示直徑約為18mm，長度約為65mm，26650表示直徑約為26mm，長度約為65毫米長。 還有 38140 型電池，它們的直徑為 38 毫米，長度約為 140 毫米。 每個電池的重量約為 400 克，極上有一個 M6 螺釘連接。 使用我們這些電池主要用于工業。
• 扁平電池可用于幾乎所有容量大小。 它們以箔片電池和長方體電池塊的形式出售。
  • 前者以覆蓋有箔片的扁平電池的形式生產，也稱為箔片電池。 但是，這種設計只是一個中間產品，對于電池組的組裝或直接安裝在外殼中需要小心處理。 尺寸范圍從 mAh 范圍到兩位數的 Ah 范圍。
  • 具有塑料外殼和螺釘連接的大型長方體形狀（范圍約為 20-1000 Ah）通常稱為單個電池，由多個并聯組合在一個共同外殼中的箔片電池組成。 它們比純箔電池更容易處理，但沒有標準化尺寸或網格尺寸。

在 LiFePO4 蓄電池的充電電壓曲線過程中，可能會出現向更高電壓的小偏移，其位置取決于之前的充電狀態。 這種與完全充放電相比電壓曲線出現幾毫伏小偏差的效應，由于依賴于之前的歷史，被發現者稱為“記憶效應”。 該效應是由活性材料的單個顆粒的相變引起的，并且根據目前的知識，僅發生在 LiFePO4 陰極和類似的橄欖石陰極上。 這種所謂的“記憶效應”無法與眾所周知的 NiCd 和 NiMH 蓄電池的記憶效應相提并論。 它可以在xxx次放電時出現，是暫時的，并且可以通過給電池充電來恢復。 這種異常不會直接影響電池的性能和使用壽命，但這種影響可能會導致僅基于電壓測量值的充電狀態顯示被篡改。

LiFePO4 蓄電池在循環穩定性、尺寸、容量和重量方面明顯優于鉛蓄電池，缺點是與鉛蓄電池的電等效解決方案相比，LiFePO4 蓄電池的采購價格更高。 除此之外還有平衡器，鉛酸電池不需要平衡器。

以下列表特別提到了與普通鋰鈷 (III) 氧化物 (LiCoO2) 電池的區別。

• 高安全性：由于電池化學性質，LiFePO4 電池被認為是本質安全的，與其他鋰離子電池一樣，不包括熱失控和隔膜熔化。
• 部分高功率密度，具有 20 C 的連續電流和高達 50 C 的脈沖負載能力。
• 可能的高充電電流 (0.5 C - 3 C)，脈沖充電電流高達 6 C (10 s)（單位“C”表示與電池容量相比有多少安培；例如，2 C 相當于電流為 100 A，電池容量為 50 Ah）。
• 高循環穩定性：I) Sony Fortelion：8,000 次循環后剩余容量為 74%，放電度 (DoD) 為 xxx II) 1000 次循環后為 80% 原始容量（標稱容量，NC），2000 次循環后為 60% 容量. 在 xxx DoD 的 10,000 次循環后，圓柱形 (18650) 電池也實現了 >85% 的剩余容量。 其他制造商指定超過 5,000 次循環，每次放電至 70%（放電深度，DoD）和 10,000 次循環，最小放電至僅 90%，從而實現較長的使用壽命和較低的運營成本。
• 總充電和放電循環的高電效率 >; 91%
• 充電和放電期間平坦的電壓曲線
• 對深度放電的敏感性較低
• 存儲溫度范圍廣（例如：-45 至 +85 °C，-15 至 +60 °C）。 實踐經驗表明，使用高達約 +10 °C 是可能的，沒有任何問題，低于 0.5 C 以上的高電流消耗（牽引使用）會導致更大的電壓降，但電池容量不會有任何明顯的損失。
• 自放電已通過摻雜得到改善，低至每月 3-5% 左右。
• 通過不使用鈷實現更好的環境兼容性和資源保護

• 較低的 3.2V 標稱電壓 - 而鋰鈷電池提供 3.7V
• 由于電壓和容量較低，能量密度較低 - 降低 90 Wh/kg。 同時，也實現了 210 Wh/kg 的數值。 體積能量密度只有鋰鈷電池的一半左右。 這導致相同容量的重量和空間要求幾乎翻倍。 （→ 能量密度和效率）