什么是磷酸铁锂电池？

磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂（LiFePO4）为正极材料，碳为负极材料的锂离子电池。

在充电过程中，磷酸铁锂中的部分锂离子被提取出来，通过电解液转移到负极，嵌入负极碳材料中；同时，电子从正极释放出来，从外电路到达负极，以维持化学反应的平衡。在放电过程中，锂离子从负极出来，通过电解液到达正极。同时，负极释放电子，从外部电路到达正极，为外界提供能量。

中文名称：磷酸铁锂电池

外文名称：磷酸铁锂电池

缩写：LIFEPO4

正极：磷酸铁锂

负极：碳（石墨）

额定电压：3.2V充电

截止电压：3.6V~3.65V

优点：工作电压高、能量密度高、循环寿命长、安全性能好、自放电率低、无记忆效应

磷酸铁锂电池简介

在 LiFePO4 的晶体结构中，氧原子以六方密排排列。

PO43-四面体和FeO6八面体构成晶体的空间骨架，Li和Fe占据八面体空隙，P占据四面体空隙，其中Fe占据八面体的共角位置，Li占据共边位置的八面体。 FeO6八面体在晶体的bc面上相互连接，LiO6八面体结构在b轴方向相互连接成链状结构。 1个FeO6八面体与2个LiO6八面体和1个PO43-四面体共享边。

由于FeO6共边八面体网络的不连续性，无法形成电子传导；同时，PO43-四面体限制了晶格的体积变化，影响了Li+的脱嵌和电子扩散，导致LiFePO4正极材料的电子导电性和离子扩散。非常低效。

LiFePO4电池理论比容量高（约170mAh/g），放电平台为3.4V。 Li+在正负极之间来回脱嵌，实现充放电。充电时发生氧化反应，Li+从正极迁移出来，通过电解液嵌入负极。铁从Fe2+变为Fe3+，发生氧化反应。

磷酸铁锂电池的结构特点

磷酸铁锂电池的左侧是由橄榄石结构的LiFePO4材料组成的正极，通过铝箔与电池正极相连。右边是由碳（石墨）构成的电池负极，通过铜箔与电池负极相连。中间是聚合物隔膜，将正负极隔开，锂离子可以通过，电子不能通过。电池内部充满电解液，电池由金属外壳密封。

磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行的。在充电过程中，LiFePO4逐渐与锂离子分离形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入到FePO4中形成LiFePO4。

磷酸铁锂电池的充放电原理

电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下进入电解液，然后穿过隔膜，再通过隔膜迁移到石墨晶体表面。电解质，然后嵌入石墨晶格中。

同时，电子通过导体流向正极的铝箔集电体，通过极耳、电池正极、外电路、电芯流向电池负极的铜箔集电体。负极和负极，然后通过导体流到石墨负极。，使负极的电荷达到平衡。在锂离子从磷酸铁锂中脱出后，磷酸铁锂转化为磷酸铁。

电池放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，然后穿过隔膜，通过电解液迁移到磷酸铁锂晶体表面，然后重新嵌入到电池的晶格中。磷酸铁锂。

同时，电子通过导体流向负极的铜箔集电体，通过极耳、电池的负极、外电路流向电池正极的铝箔集电体，正极和正极，然后通过导体流向磷酸铁。锂正极平衡正极的电荷。锂离子嵌入磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂。

磷酸铁锂电池的特点

更高的能量密度

据介绍，2018年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池能量密度约为160Wh/kg。 2019年一些优秀的电池厂商大概可以达到175-180Wh/kg的水平。芯片工艺和容量做大，或可达到185Wh/kg。

良好的安全性能

磷酸铁锂电池正极材料的电化学性能比较稳定，这决定了它具有稳定的充放电平台。因此，电池的结构在充放电过程中不会发生变化，不会燃烧爆炸。在充电、挤压、针灸等特殊条件下还是很安全的。

循环寿命长

磷酸铁锂电池的1C循环寿命一般达到2,000次，甚至3,500次以上，而储能市场要求4,000-5,000次以上，保证8-10年的使用寿命，高于1,000次循环三元电池。长寿命铅酸电池的循环寿命约为300次。

LiFePO4的合成

磷酸铁锂的合成工艺已基本完善，主要分为固相法和液相法。其中以高温固相反应法最为常用，有研究人员将固相法中的微波合成法与液相法中的水热合成法相结合——微波水热法。

此外，磷酸铁锂的合成方法还包括仿生法、冷却干燥法、乳化干燥法、脉冲激光沉积法等。通过选择不同的方法，合成粒径小、分散性能好的产品可以有效缩短扩散Li+ 的路径，两相之间的接触面积增加，Li+ 的扩散速率增加。

磷酸铁锂电池的工业应用

新能源汽车行业应用

我国《节能与新能源汽车产业发展规划》提出，“新能源汽车发展的总体目标是：到2020年，新能源汽车累计产销量达到5万辆，能源-节能与新能源汽车产业将走在世界前列。” . 磷酸铁锂电池以其安全性好、成本低等优点被广泛应用于乘用车、乘用车、物流车、低速电动车等。受政策影响，三元电池凭借能量密度优势占据主导地位，但磷酸铁锂电池在乘用车、物流车等领域仍占有不可替代的优势。在乘用车领域，磷酸铁锂电池在《新能源汽车推广应用推荐车型目录》（以下简称“新能源汽车推广应用目录”）第五、六、七批中占比约76%、81%、78%。简称“目录”）在5年的百分比，仍然保持主流。在专用车领域，6年《目录》第7批、第2018批、第30批磷酸铁锂电池占比分别为32%、40%、5%左右，应用比例逐步提升.

中国工程院院士杨玉生认为，在增程式电动汽车市场使用磷酸铁锂电池，不仅可以提高车辆的安全性，还可以支持增程式电动汽车的市场化，省去纯电动汽车的里程、安全、价格、成本。充电焦虑、后续电池问题等。2007年至2013年期间，不少车企纷纷推出增程式纯电动车项目。

在电源上启动应用程序

起动机磷酸铁锂电池除了具有动力锂电池的特性外，还具备瞬间输出大功率的能力。将传统的铅酸电池更换为能量小于一千瓦时的动力锂电池，将传统的启动电机和发电机更换为BSG电机。，不仅具有怠速启停功能，还具有发动机停机和滑行、滑行和制动能量回收、加速助力和电动巡航等功能。

储能市场应用

LiFePO4电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优势，并支持无级扩容，适用于大规模电动储能，在可再生能源电站在发电安全并网、电网调峰、分布式电站、UPS电源、应急供电系统等领域具有良好的应用前景。

据国际市场研究机构GTM Research近日发布的最新储能报告显示，2018年我国电网侧储能项目的应用，使磷酸铁锂电池的消耗量持续增加。

随着储能市场的兴起，近年来，一些动力电池企业布局储能业务，开辟磷酸铁锂电池新的应用市场。一方面，由于超长寿命、安全使用、大容量、绿色环保等特点，磷酸铁锂可以转移到储能领域，这将延伸价值链，促进建立一种新的商业模式。另一方面，配套磷酸铁锂电池的储能系统已成为市场主流选择。据介绍，磷酸铁锂电池已尝试用于电动大巴、电动卡车、用户侧和电网侧调频。

1、风力发电、光伏发电等可再生能源发电的安全并网。风力发电固有的随机性、间歇性和波动性决定了其大规模发展必然会对电力系统的安全运行产生重大影响。随着风电产业的快速发展，特别是我国大部分风电场为“大规模集中开发、远距离输送”，大型风电场并网发电对我国风电行业提出了严峻挑战。大型电网的运行和控制。

光伏发电受环境温度、太阳光照强度和天气条件的影响，光伏发电呈现随机波动的特点。我国呈现“分散发展、低压现场接入”和“规模化发展、中高压接入”的发展趋势，对电网调峰和电力系统安全运行提出了更高要求。

因此，大容量储能产品成为解决电网与可再生能源发电矛盾的关键因素。磷酸铁锂电池储能系统具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、扩展性强等特点。就地电压控制问题，提高可再生能源发电的可靠性，改善电能质量，使可再生能源成为持续稳定的电源。 [2]

随着容量和规模的不断扩大，集成技术的不断成熟，储能系统的成本将进一步降低。经过长期的安全可靠性测试，磷酸铁锂电池储能系统有望用于风电、光伏发电等可再生能源。已广泛应用于能源发电的安全并网和电能质量的提高。

2、电网调峰。电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需要建设上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不易建设，面积大，维护成本高。采用磷酸铁锂电池储能系统替代抽水蓄能电站，应对电网高峰负荷，不受地理条件限制，选址自由，投资少，占地少，维护成本低，将在电网调峰过程中发挥重要作用 .

3、分布式电站。

由于大电网本身的缺陷，难以保证供电的质量、效率、安全和可靠性要求。对于重要的单位和企业，往往需要双电源甚至多电源作为备用和保护。磷酸铁锂电池储能系统可减少或避免因电网故障和各种突发事件造成的停电，保障医院、银行、指挥控制中心、数据处理中心、化工材料行业和精密制造业。扮演一个重要角色。

4UPS电源。中国经济的持续快速发展导致UPS电源用户需求的分散化，导致更多的行业、更多的企业对UPS电源有持续的需求。

与铅酸电池相比，磷酸铁锂电池具有循环寿命长、安全稳定、绿色环保、自放电率低等优点。将被广泛使用。

其他领域的应用

磷酸铁锂电池由于其良好的循环寿命、安全性、低温性能等优势，也被广泛应用于军事领域。 10年2018月45日，山东某电池企业强势亮相首届青岛军民融合科技创新成果展，展出-XNUMX℃军用超低温电池等军工产品。

磷酸铁锂电池储能系统

LiFePO4电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、绿色环保等一系列独特优势，并支持无级膨胀，形成储能后可用于大规模电能储存系统。磷酸铁锂电池储能系统由磷酸铁锂电池组、电池管理系统（BMS）、变流装置（整流器、逆变器）、中央监控系统、变压器组成。

在充电阶段，间歇电源或电网对储能系统进行充电，交流电通过整流器整流成直流电对储能电池模块充电并储存能量；在放电阶段，储能系统向电网或负载放电，储能电池模块将逆变器的直流电通过逆变器转换为交流电，逆变器输出由中央监控系统控制，可为电网或负载提供稳定的电力输出。

磷酸铁锂电池的梯次利用

一般来说，电动汽车退役的磷酸铁锂电池仍有近80%的剩余容量，距离完全报废容量的20%下限还有60%的容量，可用于电量较低的场合。电力需求高于汽车，如低速电动汽车、通信基站等，实现废旧电池的梯级利用。汽车退役的磷酸铁锂电池仍有较高的利用价值。动力电池梯级利用流程为：企业回收退役电池——拆解——检测分级——按容量分类——电池模组重组。在电池制备层面，废旧磷酸铁锂电池的剩余能量密度可达60~90Wh/kg，循环寿命可达400~1000次。随着电池制备水平的提高，回收寿命可能会进一步提高。与循环寿命45Wh/kg、循环寿命约500次的铅酸电池相比，废磷酸铁锂电池仍有性能优势。而且废旧磷酸铁锂电池成本低，只有4000~10000元/t，非常经济。

磷酸铁锂电池的回收特性

快速增长和大量废料

自电动汽车产业发展以来，中国已成为全球最大的磷酸铁锂消费市场。尤其是从2012年到2013年，增长率接近200%。 2013年中国磷酸铁锂销量约为5797吨，占全球销量的50%以上。

2014年，75%的磷酸铁锂正极材料销往中国。磷酸铁锂电池的理论寿命为7~8年（以7年计算）。预计到9400年将有约2021吨的磷酸铁锂报废。如果不处理大量的废物，不仅会带来环境污染，还会造成能源浪费和经济损失。

重大伤害

磷酸铁锂电池中所含的LiPF6、有机碳酸盐、铜等化学物质被列入国家危险废物名录。 LiPF6腐蚀性强，遇水易分解生成HF；有机溶剂及其分解水解产物会对大气、水体、土壤造成严重污染，危害生态系统；铜等重金属在环境中积累，最终通过生物链危害人类；磷一旦进入湖泊等水体，很容易造成水体富营养化。可见，废弃的磷酸铁锂电池如果不回收利用，将对环境和人体健康造成极大危害。

回收技术不成熟

现有资料显示，废旧磷酸铁锂电池的回收利用分为两种：一种是回收金属，另一种是再生磷酸铁锂正极材料。

(1) 锂铁湿法回收

这类工艺主要是回收锂。由于磷酸铁锂不含贵金属，因此对钴酸锂的回收工艺进行了改进。首先将磷酸铁锂电池拆解得到正极材料，将正极材料粉碎、筛分得到粉末；然后在粉末中加入碱溶液溶解铝和氧化铝，过滤得到含锂、铁等的滤渣；滤渣用硫酸和过氧化氢（还原剂）的混合溶液浸出，得到浸出液；加碱沉淀氢氧化铁，过滤得滤液；燃烧氢氧化铁得到氧化铁；最后调节浸出液的pH值(5.0～8.0)，过滤，从浸出液中得到滤液，加入固体碳酸钠浓缩结晶，得到碳酸锂。

(2) 再生磷酸铁锂

某种元素的单一回收使得无贵金属的磷酸铁锂回收的经济效益相对较低。因此，磷酸铁锂的固相再生主要用于处理废旧磷酸铁锂电池。该工艺回收效益高，资源综合利用率高。

首先将磷酸铁锂电池拆解得到正极材料，将正极材料粉碎、筛分得到粉末；之后，通过热处理去除残留的石墨和粘合剂，然后在粉末中加入碱性溶液以溶解铝和氧化铝。滤渣含锂、铁等，分析滤渣中铁、锂、磷的摩尔比，加入铁源、锂源、磷源，调整铁、锂、磷的摩尔比为1：1： 1个；加入碳源，球磨后在惰性气氛中煅烧得到新型磷酸铁锂正极材料。

回收系统不完善

国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高新技术产业发展规划均将磷酸铁锂电池列为重点支持领域，但电池生产技术要求较为严格，导致电池价格居高不下. 在电动摩托车和少量汽车上。因此，车用动力电池还没有大批量报废，还没有建立起系统化、专业化的车用动力电池回收体系。现有的回收系统存在一定的问题，回收效率低。

这个问题主要是以下几个方面造成的：

(1) 减少可回收量

大量废旧电池散落在老百姓手中，老百姓又无处安放，就和生活垃圾一起处理，这样从个人身上回收的废电池几乎为零，而且大部分回收电池中，生产企业生产过程中产生的废品或库存旧料，回收的大型动力电池数量就更少了。

(2)回收系统不完善

国内还没有建立专门回收电池的体系，主要是小作坊的广泛收集。我国是锂离子电池的主要生产国和消费国，但由于人口众多，人均电池拥有量相对较少。长期以来，回收公司不回收单个没有回收价值的锂离子电池。

(3) 进入门槛高

企业对废旧电池进行回收处理的，必须依照《中华人民共和国环境保护法》和《危险废物经营许可证管理办法》的规定，申领危险废物经营许可证。相反，有大量的小规模、技术含量低的公司，造成电池无法集中收集的问题。

(4) 高回收成本

磷酸铁锂材料大量用于动力或储能电池的正极，需求量远大于普通小型电池。回收它们具有很高的社会价值，但回收成本高，而且磷酸铁锂电池不含有价值的金属，经济价值低。

（五）回收意识淡薄

长期以来，我国对废旧电池回收利用的宣传教育较少，导致市民对废旧电池的污染危害缺乏深入了解，没有自觉回收利用的意识。

磷酸铁锂电池拆解回收

退役的磷酸铁锂电池和梯级利用后的电池中不具备梯级利用价值的电池，最终将进入拆解回收阶段。磷酸铁锂电池与三元材料电池的区别在于不含重金属，回收的主要是Li、P、Fe。回收产品附加值低，需开发低成本回收路线。回收方法主要有火法和湿法两种。

火灾恢复过程

传统的火法回收一般是对电极片进行高温焚烧，将电极碎片中的碳和有机物燃烧掉，剩下的不能燃烧的灰烬最后经过筛分，得到含有金属和金属氧化物的细粉材料。该法工艺简单，但处理过程长，有价金属综合回收率低。改进的火回收技术通过煅烧去除有机粘结剂，将磷酸铁锂粉末与铝箔分离，得到磷酸铁锂材料，再加入适量原料，得到所需的锂、铁、磷. 摩尔比，采用高温固相法合成了一种新型磷酸铁锂。根据成本估算，废旧磷酸铁锂电池的改进热干法回收可以盈利，但按照这种回收工艺新制备的磷酸铁锂杂质多，性能不稳定。

湿法回收工艺

湿法回收主要是将磷酸铁锂电池中的金属离子通过酸碱溶液溶解，进一步利用沉淀、吸附等方法将溶解的金属离子以氧化物和盐的形式提取出来。大多数反应过程使用 H2SO4、NaOH 和 H2O2 等试剂。湿法回收工艺简单，对设备要求不高，适合工业规模生产。

磷酸铁锂电池的湿法回收主要以回收正极为主。湿法回收磷酸铁锂正极时，必须先将铝箔集流体与正极活性物质分离。其中一种方法是用碱液溶解集流体，活性物质不与碱液反应，过滤即可得到活性物质。第二种方法是将粘合剂PVDF用有机溶剂溶解，使磷酸铁锂正极材料与铝箔分离，铝箔重复使用，活性物质可进行后续处理，有机溶剂可蒸馏实现其回收利用。与这两种方法相比，第二种方法更环保、更安全。正极中磷酸铁锂的回收之一是生成碳酸锂。这种回收方式成本低，被大多数磷酸铁锂回收企业采用。但是，磷酸铁锂的主要成分磷酸铁（含量95%）没有被回收利用，造成资源浪费。

理想的湿法回收方法是将废旧磷酸铁锂正极材料转化为锂盐和磷酸铁，实现Li、Fe、P的全元素回收。为了将磷酸亚铁锂转化为锂盐和磷酸铁，亚铁需要氧化成三价铁，酸浸或碱浸提锂。有学者采用氧化煅烧分离铝片和磷酸铁锂，再用硫酸浸出分离得到粗磷酸铁，溶液用碳酸钠去污沉淀成碳酸锂；滤液经蒸发结晶得无水硫酸钠产品，作为副产品出售；将粗磷酸铁进一步精制，得到电池级磷酸铁，可用于制备磷酸铁锂材料。这个过程经过多年的研究已经比较成熟。