15365-14-7
中文名稱
磷酸鐵鋰
英文名稱
LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON COATED
CAS
15365-14-7
分子式
LiFePO4
分子量
157.76
MOL 文件
15365-14-7.mol
更新日期
2025/03/17 12:00:51
15365-14-7 結(jié)構(gòu)式
基本信息
中文別名
磷酸鐵鋰磷酸鋰鐵
383-04621
英文別名
LFPPT 30
Triphylite
Phos-Dev 21B
NP 1 (phosphate)
PT 30 (phosphate)
Iron lithium phosphate
Lithium iron phosphate
Ferrous lithium phosphate
Lithium iron(II) phosphate
所屬類別
無機(jī)化工：磷化物、金屬的磷酸、偏磷酸、次磷酸和焦磷酸鹽物理化學(xué)性質(zhì)
熔點(diǎn)>300 °C(lit.)
密度1.523 g/cm3
形態(tài)粉末
EPA化學(xué)物質(zhì)信息Phosphoric acid, iron(2+) lithium salt (1:1:1) (15365-14-7)
常見問題列表
磷酸鐵鋰電池
鋰離子電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池。鋰離子電池正極材料主要有鈷酸鋰、 錳酸鋰、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰等。磷酸鐵鋰(LiFePO4)的安全性高、循環(huán)性能穩(wěn)定、價格低廉、放電平臺平穩(wěn)、 環(huán)境友好，被普遍認(rèn)為是最有前途的鋰離子電池正極材料，尤其是動力鋰離子電池正極材料，成為目前研發(fā)的熱點(diǎn)。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。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入、脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰完全相同。
磷酸鐵鋰是一種橄欖石結(jié)構(gòu)的聚陰離子磷酸鹽，其充放電反應(yīng)是在磷酸鐵鋰和磷酸鐵兩相間進(jìn)行的。充電時，Li+ 從LiFePO4中脫離出來，F(xiàn)e2+ 失去一個電子變成 Fe3+；放電時，Li+ 嵌入磷酸鐵中變成 LiFePO4 。
充電反應(yīng)：LiFePO4 -xLi+ - xe- → xFePO4 + (1-x)LiFePO4
放電反應(yīng)：FePO4 + xLi+ + xe- → xLiFePO4 + (1-x)FePO4
磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池，一個主要用途是用于動力電池，相對NI-MH、Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢。
磷酸鐵鋰電池充放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達(dá)90%以上，而鉛酸電池約為80%。
結(jié)構(gòu)和性能
磷酸鐵鋰（LiFePO4）具有橄欖石結(jié)構(gòu)，正交晶系，其空間群是Pmnb型。O原子以稍微扭曲的六方緊密堆積方式排列，只能為Li+提供有限的通道，使得室溫下Li+在其中的遷移速率很小。Li與Fe原子填充O原子八面體空隙中。P占據(jù)了O原子四面體空隙。一個FeO6八面體與兩個LiO6八面體共棱；由于近乎六方堆積的氧原子的緊密排列, 使得鋰離子只能在二維平面上進(jìn)行脫嵌, 也因此具有了相對較高的理論密度( 3.6 g/ cm3 )。在此結(jié)構(gòu)中, Fe2+ /Fe3+相對金屬鋰的電壓為3. 4 V。
1.高能量密度
其理論比容量為170mAh/g，產(chǎn)品實(shí)際比容量可超過140 mAh/g（0.2C，25°C）；
2.安全性
是目前最安全的鋰離子電池正極材料；不含任何對人體有害的重金屬元素；
3.壽命長
在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上； (原因：磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性好，鋰離子的嵌入和脫出對晶格的影響不大，故而具有良好的可逆性。存在的不足是電子離子傳導(dǎo)率差，不適宜大電流的充放電，在應(yīng)用方面受阻。解決方法：在電極表面包覆導(dǎo)電材料、摻雜進(jìn)行電極改性。）
4.無記憶效應(yīng)
5.充電性能
磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池，可以使用大倍率充電，最快可在1小時內(nèi)將電池充滿。
具體的物理參數(shù)：
松裝密度：0.7g/cm
振實(shí)密度：1.2g/cm
中粒徑：2-6um
比表面積<30m/g
涂片參數(shù)：
LiFePO4:C:PVDF=90:3:7
極片壓實(shí)密度：2.1-2.4g/cm
電化性能：
克容量>155mAh/g 測試條件：半電池，0.2C，電壓4.0-2.0V
循環(huán)次數(shù)：2000次
優(yōu)點(diǎn)
安全性能的改善磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實(shí)際操作中針刺或短路實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件，而過充實(shí)驗(yàn)中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)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(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用，可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)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(dá)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(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達(dá)2C,而鉛酸電池?zé)o此性能。
高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
大容量
具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。單體容量為5AH-1000AH。
無記憶效應(yīng)
可充電池在經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。
重量輕
同等規(guī)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(huán)保
該電池一般被認(rèn)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(rèn)證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池證。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)保考量，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點(diǎn)支持和鼓勵發(fā)展的項(xiàng)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(jìn)入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。
磷酸鐵鋰的應(yīng)用
由于磷酸鐵鋰先天性的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性，特別是在安全性和循環(huán)性能方面具有無可比擬的優(yōu)勢，所以采用磷酸鐵鋰正極材料的電池可廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。
磷酸鐵鋰材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用比例
缺點(diǎn)
國內(nèi)現(xiàn)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(jī)構(gòu)、企業(yè)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(fā)展方向。分析其原因，主要有下列兩點(diǎn)：首先是受到美國研發(fā)方向的影響，美國Valence與A123公司最早采用磷酸鐵鋰做鋰離子電池的正極材料。其次是國內(nèi)一直沒有制備出可供動力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)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(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)：
1、在磷酸鐵鋰制備時的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。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(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室儲能系統(tǒng)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(jié)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。盡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(shè)備根本就無法啟動工作。
3、材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)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(huán)境要求苛刻等問題。盡管磷酸鐵鋰中的化學(xué)元素Li，F(xiàn)e與P很豐富，成本也較低，但是制備出的磷酸鐵鋰產(chǎn)品成本并不低，即使去掉前期的研發(fā)成本，該材料的工藝成本加上較高的制備電池的成本，會使得最終單位儲能電量的成本較高。
4、產(chǎn)品一致性差。目前國內(nèi)還沒有一家磷酸鐵鋰材料廠能夠解決這一問題。從材料制備角度來說，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)，有固相磷酸鹽、鐵的氧化物以及鋰鹽，外加碳的前驅(qū)體以及還原性氣相。在這一復(fù)雜的反應(yīng)過程中，很難保證反應(yīng)的一致性。
5、知識產(chǎn)權(quán)問題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日由F X MITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得，并于同年8月19日公布申請結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，如果成本中計算上專利使用費(fèi)的話，那產(chǎn)品成本將會進(jìn)一步提高。
充電方法
磷酸鐵鋰電池組的充電建議使用CCCV充電方式，即先恒流后恒壓。恒流建議0.3C。恒壓建議3.65.即恒流過程中0.3C電流充，當(dāng)電池電壓到達(dá)3.65V后，采用3.65V電壓恒壓充電，當(dāng)充電電流低于0.1C(或0.05C)時停止充電，即電池已經(jīng)充滿。