Lithium iron phosphate battery/zh

磷酸铁锂电池（LiFePO₄电池），又称LFP电池或磷酸铁锂电池，是一种锂离子电池，以磷酸铁锂（LiFePO₄）为正极材料，以金属背衬的石墨碳电极为负极。由于其成本低、安全性高、毒性低、循环寿命长等优点，磷酸铁锂电池被广泛应用于汽车、公用事业规模的固定式储能和备用电源系统。截至2022年9月，磷酸铁锂电池占电动汽车电池市场份额的31%，其中特斯拉和比亚迪占据了68%的份额。^{[ 1 ]}

2022年，中国制造商主导了磷酸铁锂电池的生产。随着相关专利开始到期，以及对价格更实惠的电动汽车电池的需求增加，预计磷酸铁锂电池的产量将继续增长，并有可能超过镍锰钴酸锂（NMC）电池。^{[ 2 ]}

磷酸铁锂电池的比能量低于其他常见的锂离子电池类型，例如镍锰钴（NMC）电池和镍钴铝（NCA）电池。截至2024年，宁德时代（CATL）宣称其磷酸铁锂电池的单体比能量为205瓦时/千克（Wh/kg），而比亚迪的磷酸铁锂电池的比能量为150 Wh/kg。^{[ 3 ]}最好的镍锰钴电池的比能量可以超过300 Wh/kg。松下“2170”镍钴铝电池（用于特斯拉2020款Model 3中型轿车）的比能量约为260 Wh/kg，约为其理论化学值的70%。磷酸铁锂电池的工作电压也低于许多其他类型的锂离子电池。

• 最小放电电压：2.0–2.8 V
• 工作电压：3.0–3.3 V
• 最大可用电压：2.5–3.47 V
• 最大充电电压：3.60–3.65 V

重量能量密度：95–172 Wh/kg，或 340–620 kJ/kg。2023 年末至 2024 年初发布的新版本在不增加生产成本的情况下，将能量密度从 180 Wh/kg 提高到 205 Wh/kg。

体积能量密度：227–396 Wh/L，或 820–1,430 kJ/L。

循环寿命约为 2,500 至 9,000 次以上，具体取决于操作条件。^{[ 4 ]}新一代高能量密度版本可能提供更长的充电循环寿命，有可能达到约 15,000 次循环。

磷酸铁锂电池因其成本低、安全性高、循环寿命长而被广泛应用于固定式储能系统。在固定式应用中，与其他锂离子电池相比，其能量密度较低的缺点通常并不那么重要。^{[ 5 ]}

铁和磷酸盐在地壳中含量丰富。磷酸铁锂电池不含镍或钴，而镍和钴价格昂贵且供应有限。钴的开采引发了人权和环境方面的担忧，而镍的开采也与环境问题有关。^{[ 6 ]}

美国能源部2020年发布的一份报告比较了使用磷酸铁锂电池（LFP）和镍钴锰酸锂电池（NMC）的大型储能系统的成本。^{[ 7 ]}该报告发现，LFP电池的每千瓦时价格比NMC电池低约6%，并且预测LFP电池的寿命将延长约67%，这意味着它们可以完成更多循环。由于电池特性的差异，LFP储能系统中的某些其他组件的成本可能会略高，但其每千瓦时的总成本仍然低于NMC系统。^{[ 8 ]}

2020年，磷酸铁锂电池的最低报价为80美元/千瓦时（即12.5瓦时/美元），平均价格为137美元/千瓦时。到2023年，平均价格已降至100美元/千瓦时。^{[ 9 ]} 2024年初，VDA规格的磷酸铁锂电池价格低于0.5元人民币/瓦时（约合70美元/千瓦时）。中国汽车制造商迅驰表示，其采购的磷酸铁锂电池价格为0.4元人民币/瓦时（约合56美元/千瓦时），并预计价格将进一步降至0.32元人民币/瓦时（约合44美元/千瓦时）。到2024年中期，美国消费者可以以约115美元/千瓦时的价格购买到组装好的磷酸铁锂电池。

磷酸铁锂电池的循环寿命比许多其他锂离子电池都要长得多。在正常情况下，它可以支持超过3000次循环，而在最佳条件下，循环次数可能超过10000次。相比之下，NMC电池通常支持约1000至2300次循环，具体取决于工作条件。^{[ 10 ]}

LFP电池的容量随时间推移衰减速度也较慢，因此其使用寿命比锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)和锂离子聚合物电池等电池化学体系更长。^{[ 11 ] [ 12 ]}

由于每节磷酸铁锂电池的标称输出电压为3.2V，因此四节电池串联可提供12.8V的标称电压。这与六节铅酸电池的标称电压接近。结合磷酸铁锂电池优异的安全性能，使其成为车辆和太阳能系统等应用中铅酸电池的理想替代品。

充电系统必须进行调整，以避免因充电电压过高、采用基于温度的电压补偿、均衡充电或持续涓流充电而损坏磷酸铁锂 (LFP) 电芯。此外，在组装电池组之前，还应进行电芯平衡。另外，还需要一个保护系统，以防止任何电芯放电至低于 2.5 V，因为这可能会导致磷酸铁锂 (LiFePO₄) 转化为磷酸铁 (FePO₄)，从而造成严重且不可逆的损坏。^{[ 13 ]}

与其他锂离子电池相比，磷酸铁锂（LiFePO₄）的一个重要优势是其优异的热稳定性和化学稳定性，这有助于提高电池安全性。^{[ 14 ] [ 15 ]}与层状氧化物正极材料（例如钴酸锂（LiCoO₂）和NMC）相比，磷酸铁锂通常具有更高的分解温度，而后者在加热时可能会释放氧气。^{[ 16 ] [ 17 ]}

磷酸铁锂电池也具有很强的安全特性。在正常工作条件下，其化学成分与空气接触时不易燃烧，因此不易起火，并具有良好的整体热稳定性和化学稳定性。然而，在极端条件下，例如严重过充、极高温度或遭受严重物理损坏，磷酸铁锂电池仍然可能发生起火。

截至 2008 年，新型磷酸铁锂电池的能量密度比新型钴酸锂电池低约 14%。^{[ 18 ]}由于放电速率取决于电池容量，因此在使用低电流电池时，使用更大容量的电池可以实现更高的输出速率。

由于磷酸铁锂电池在成本、安全性和循环寿命方面具有优势，因此常用于固定式储能系统。到2025年，它们将占据固定式储能市场约85%的份额。在固定式应用中，与其他锂离子电池相比，其较低的能量密度通常不是一个明显的缺点。^{[ 19 ]}

由于价格实惠、热稳定性好且经久耐用，磷酸铁锂电池被广泛应用于许多电动汽车。^{[ 20 ]}一些高端车型则采用镍基碳化物电池，因为其能量密度和性能更高。磷酸铁锂电池已占据电动汽车电池市场相当大的份额，尤其是在中国。包括特斯拉和比亚迪在内的主要电动汽车制造商为磷酸铁锂电池的普及做出了巨大贡献。^{[ 19 ]}

• 雪佛兰在Spark EV车型中使用了A123 Systems公司提供的磷酸铁锂电池。^{[ 21 ]}
• 雷诺在Twingo电动版车型中使用了磷酸铁锂电池。^{[ 22 ]}
• 特斯拉在其许多标准续航里程车型中使用磷酸铁锂电池，尽管某些车型使用NMC电池。^{[ 23 ]}

LFP电池还用于一些电子烟、船舶电气和推进系统、手电筒、无线电遥控模型、便携式电源设备、业余无线电设备、工业传感器系统和应急照明。^{[ 24 ]}

LiFePO₄是一种天然矿物，也称为三磷铁矿。Arumugam Manthiram和John B. Goodenough首先发现了锂离子电池正极材料的多阴离子类。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}随后，Padhi及其同事确认LiFePO₄是一种可用于电池的多阴离子基正极材料。他们还证明了锂可以从LiFePO₄中可逆地脱出并嵌入到FePO₄中。由于其成本低、无毒、铁资源丰富、热稳定性好、安全性高、电化学性能优异，且比容量高达170 mA·h/g（或610 C/g），因此获得了广泛的市场认可。^{[ 28 ]}

商业化的主要障碍是其天然的低电导率。为了解决这个问题，人们采取了多种方法，包括减小颗粒尺寸、用碳纳米管等导电材料包覆LiFePO₄颗粒，或将两种方法结合起来。^{[ 29 ]} 2015年，魁北克水电公司和蒙特利尔大学的Michel Armand及其同事开发了这种方法。^{[ 30 ]}麻省理工学院Yet-Ming Chiang团队开发的另一种方法是用铝、铌和锆等阳离子掺杂LFP。

早期的锂离子电池使用石油焦作为负极（放电时的阳极），而后期的锂离子电池则使用天然或合成石墨。^{[ 31 ]}

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