15365-14-7
中文名稱(chēng)
磷酸鐵鋰
英文名稱(chēng)
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
2025/01/22 14:28:05
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(lèi)別
無(wú)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(jiàn)問(wèn)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(lái)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(jià)格低廉、放電平臺(tái)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(dòng)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(guò)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(shí)，Li+ 從LiFePO4中脫離出來(lái)，F(xiàn)e2+ 失去一個(gè)電子變成 Fe3+；放電時(shí)，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(gè)主要用途是用于動(dòng)力電池，相對(duì)NI-MH、Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢(shì)。
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L(zhǎng)i+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(gè)FeO6八面體與兩個(gè)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(duì)較高的理論密度( 3.6 g/ cm3 )。在此結(jié)構(gòu)中, Fe2+ /Fe3+相對(duì)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(guò)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(duì)人體有害的重金屬元素；
3.壽命長(zhǎng)
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(duì)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(wú)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(shí)內(nèi)將電池充滿(mǎn)。
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(cè)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(guò)充時(shí)也不會(huì)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(bào)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(dòng)力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時(shí)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(shí)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(jià)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(zhuān)用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿(mǎn)，起動(dòng)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(wú)記憶效應(yīng)
可充電池在經(jīng)常處于充滿(mǎn)不放完的條件下工作，容量會(huì)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(wú)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(wú)毒(SGS認(rèn)證通過(guò))，無(wú)污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對(duì)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(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)的出口量將迅速增大，而進(jìn)入歐美的電動(dòng)自行車(chē)已要求配備無(wú)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以采用磷酸鐵鋰正極材料的電池可廣泛應(yīng)用于多個(gè)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(guó)內(nèi)現(xiàn)在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動(dòng)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(chǎng)分析員都看好這一材料，將其作為動(dòng)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(guó)研發(fā)方向的影響，美國(guó)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(guó)內(nèi)一直沒(méi)有制備出可供動(dòng)力型鋰離子電池使用的具有良好高溫循環(huán)與儲(chǔ)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(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
1、在磷酸鐵鋰制備時(shí)的燒結(jié)過(guò)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(huì)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(dòng)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(méi)有解決這一問(wèn)題。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)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(shí)候，他用terrible來(lái)形容，他們對(duì)磷酸鐵鋰型鋰離子電池測(cè)試結(jié)果表明表明磷酸鐵鋰電池在低溫下(0℃以下)無(wú)法使電動(dòng)汽車(chē)行駛。盡管也有廠(chǎng)家宣稱(chēng)磷酸鋰鐵電池在低溫下容量保持率還不錯(cuò)，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(wú)法啟動(dòng)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(lái)了其它問(wèn)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(duì)環(huán)境要求苛刻等問(wèn)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(huì)使得最終單位儲(chǔ)能電量的成本較高。
4、產(chǎn)品一致性差。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家磷酸鐵鋰材料廠(chǎng)能夠解決這一問(wèn)題。從材料制備角度來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰的合成反應(yīng)是一個(gè)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(guò)程中，很難保證反應(yīng)的一致性。
5、知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。最早的有關(guān)磷酸鐵鋰專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)?993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(qǐng)結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專(zhuān)利被美國(guó)德州大學(xué)所有，而碳包覆專(zhuān)利被加拿大人所申請(qǐng)。這兩個(gè)基礎(chǔ)性專(zhuān)利是無(wú)法繞過(guò)去的，如果成本中計(jì)算上專(zhuān)利使用費(fèi)的話(huà)，那產(chǎn)品成本將會(huì)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(guò)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(shí)停止充電，即電池已經(jīng)充滿(mǎn)。