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磷酸鐵鋰電池（鋰鐵磷酸鹽蓄電池）是一種鋰離子電池，其正極材料是磷酸鐵鋰（）。

磷酸鐵鋰電池于1997年由美國德州大學古迪納夫所在團隊提出。。2004年出現了第一款磷酸鐵鋰動力電池。同年進入中國市場。2009年應用于儲能。2014年中國政府開始推動國內電動車發展，磷酸鐵鋰電池由此在中國得到發展。后技術發展突破了電池本身短板，2020年開始進入了中國磷酸鐵鋰電池發展的第二春。

磷酸鐵鋰電池由正極磷酸鐵鋰材料、負極（一般為石墨）、聚合物隔膜、電解液組成，并由金屬外殼封裝。電池的正極與負極分別連接鋁箔和銅箔。其充放電工作依賴于鋰離子在正負極之間的移動：充電時，鋰離子從正極脫嵌，經電解質嵌入負極；放電時鋰離子從負極脫嵌，經電解質嵌入正極。其具有密度高、單體電壓高、循環壽命長、安全性能好的優點，在高溫高熱環境下具有良好穩定性。缺點有耐低溫性能較差、電子導電率低等。磷酸鐵鋰電池被廣泛應用于新能源汽車、儲能等領域。主要的制造商有比亞迪、國軒高科、寧德時代、LG新能源等。

2023年8月16日下午，全球動力電池龍頭寧德時代發布了全球首款采用磷酸鐵鋰材料并可實現大規模量產的4C超充電池——神行超充電池。該款電池不僅實現了“充電10分鐘，續航400公里”的超快充速度，還能達到700公里以上的續航里程，全面開啟新能源車的超充時代。

發展歷史

1997年，A. K. Padhi在美國德克薩斯州立大學奧斯汀分校機械工程和材料科學教授約翰·古迪納夫（John B. Goodenough）的指導下，研究了幾種鋰過渡金屬磷酸鹽系材料的合成和電化學性能，發現橄欖石型的在0.05mA·cm-2的充放電流密度下，約3.5V平臺電勢范圍內可以得到100~110mAh·g-1的比容量，為其理論比容量的60%，但已經接近當時商品化正極材料的實際放電比容量水平，而且充放電曲線非常平坦，另外，由于具有低功耗、價格低廉、無毒、環境友好的特點，是二次鋰電池陰極的優異候選材料。由此提出了磷酸鐵鋰電池。

2001年，美國馬薩諸塞州沃特敦的初創公司A123 Systems LLC（以下簡稱“A123”）成立。2002年，A123公司的蔣永明在科學雜志《自然材料》上發表了一篇文章，指出磷酸鐵鋰材料摻雜微量的金屬化合物，包括一種叫做“”的元素，可以幫助電子更快地移動，從而使電池可以產生更多的瞬時功率。這一發現后來被A123公司命名為“納米磷酸鹽”（Nanophosphate），能夠使電池產生的瞬時電力是市場上任何其他類似尺寸電池的兩到三倍。

2003年，加拿大魁北克省公共事業水力公司（Hydro-Quebec，H-Q）的科學家通過在磷酸鐵鋰正極顆粒上包覆碳解決了磷酸鐵鋰電池充放電速度慢的問題（后該專利轉入H-Q與2007年成立的子公司Phostech名下）。同年，美國威能科技有限公司（Valence）公司也解決了磷酸鐵鋰電池的倍率放電及低溫性能等問題。

2004年，美國A123公司和深圳比克電池有限公司聯合開發出全球第一款磷酸鐵鋰動力電池，并實現產業化。磷酸鐵鋰電池開始進入中國市場。

2009年，A123公司將一個2MW的集裝箱式磷酸鐵鋰電池儲能系統接入賓夕法尼亞州電網。同時，將2個兆瓦級的柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統分別接入了加利福尼亞州的兩個風電場。同年，巴拉克·奧巴馬（Barack Obama）政府向A123公司提供了數億美元的資金，希望它能幫助啟動美國的電動汽車生產。

2012年，A123公司申請破產。2014年，中國當時最大的汽車零部件公司萬向集團收購了A123。同時中國政府開始實施建設國內電動汽車市場的計劃。2015和2016年，中國的國家引導政策逐步加大了對新能源汽車動力電池能量密度的考核。由于磷酸鐵鋰電池能量密度較三元鋰電池低，這導致磷酸鐵鋰技術路線失勢，大批磷酸鐵鋰動力電池材料企業隨之破產。2019年后，一方面，如CTP（寧德時代2019年推出）、刀片（比亞迪2020年推出）、JTM（合肥國軒高科動力能源有限公司2021年推出）等集成制造技術創新，有效彌補了材料能量密度短板，磷酸鐵鋰電池制造成本持續降低；另一方面，中國新能源汽車購置補貼的見面力度逐年退坡，磷酸鐵鋰電池在中國開始重新進入發展的第二春，在2021年5月其動力電池產量已經超過了三元材料電池。

2023年8月16日下午，全球動力電池龍頭寧德時代發布了全球首款采用磷酸鐵鋰材料并可實現大規模量產的4C超充電池——神行超充電池。神行超充電池突破磷酸鐵鋰材料體系的性能邊界通過結構創新、智能算法等方式，兼具長續航、全溫域閃電快充和高安全等性能，該款電池不僅實現了“充電10分鐘，續航400公里”的超快充速度，還能達到700公里以上的續航里程。

基本結構

磷酸鐵鋰電池由金屬外殼封裝，電池的正極與負極分別連接鋁箔和銅箔。其內部結構如下：左邊是正極，中間是聚合物隔膜，右邊是負極，電池上下端是電解液。其中只有鋰離子能夠通過隔膜。磷酸鐵鋰電池內部結構如下圖所示。

正極磷酸鐵鋰材料

是橄欖石型結構，屬于正交晶系。其中，原子以六方緊密堆積方式排列，原子和原子分別位于原子八面體中心4a和4c的位置，并分別形成和八面體；位于四面體的4c位置，從而形成四面體。磷酸鐵鋰的結構示意圖如下圖所示。

制備方法

常用的磷酸鐵鋰制備方法包括固相反應、水熱法和溶膠-凝膠法。

固相反應：將的碳酸根（或磷酸鹽、氫氧化物）、磷酸二氫銨、草酸亞鐵（或磷酸亞鐵、醋酸亞鐵）混合，在500-800攝氏度下高溫煅燒數小時，生成粉末狀。利用固相法得到的產物雖然電化學性能較差，但其所需設備和制作工藝簡單，適合工業化生產。

水熱法：在高溫高壓下，在水或蒸汽等流體中制備的反應。水熱法制備過程簡單且所制得的產品粉體粒徑小，但只適合少量粉體制備。若制備量過大，造價會隨之升高。

溶膠-凝膠法：使用前驅體溶液合成凝膠，并在一定條件下熱處理凝膠，以制備粉體。該方法制備的粉體顆粒粒徑小、分布窄、燒結性能好，且設備簡單、制備過程易于控制，但合成周期較長、難以用于工業化生產。

回收方法

正極材料的回收主要有濕法冶金回收和再生修復法兩種回收方式。

濕法冶金回收：濕法冶金回收是采用無機酸（、、、等）將正極材料廢料中的、、等元素完全浸出，再通過添加氧化劑將浸出液中氧化為，而后采用或將浸出體系pH值調節至固相的穩定區，促使氧化后的與浸出液中的結合為沉淀，從而與溶液中分離；除去、后的酸度較高的溶液可再多次循環浸出以實現的富集，后調節pH值至10-11，投加；即可將高濃度液轉化為沉淀進行回收。該技術仍面臨試劑浪費、過程復雜低效等問題。

再生修復法：再生修復法是以短工藝將廢舊材料再生為新材料。新材料可以用于制備磷酸鐵鋰電池正極材料。該工藝流程短，所需試劑成本較低，修復所得產品具有較高的附加值，經濟效益良好。

負極

磷酸鐵鋰電池的負極材料一般為石墨礦。石墨具有著完整的層狀晶體結構，結構穩定性高、導電性好、無毒性、機械性能好，且成本較低，是主要的商業化負極材料。也有磷酸鐵鋰電池的負極材料是硅，如合肥國軒高科動力能源有限公司于2021年1月發布的磷酸鐵鋰電池首次應用硅負極材料。

回收方法

負極中，銅箔價格昂貴且回收工藝簡單，具有高回收價值，回收的石墨粉通過改性后有望循環應用于電池生產中。負極以水系黏結劑為主，黏結劑可以直接在水溶液中進行溶解，負極材料和集流體銅箔通過簡單工藝可以實現分離。

聚合物隔膜

隔膜的主要作用是防止正負極接觸，以及為電解液中的鋰離子提供通道。聚乙烯PP隔膜一致性高、成本低，是商業中最常見的隔膜。

電解液

電解液能夠在正負極之間傳導鋰離子。因此，電解液應具有高的離子電導率，良好的熱穩定性、電化學穩定性。磷酸鐵鋰電池的電解液主要由碳酸酯類溶劑、鋰鹽、添加劑三部分組成。六氟磷酸鋰（）是目前最主要的商業化鋰鹽。

回收方法

電解液的回收有真空熱解處理法、有機溶劑萃取回收處理、超臨界回收方法。

真空熱解法是在回收廢舊電池過程中同時處理電解液。將拆分的正極材料置于真空爐中，系統壓力小于1kPa，高溫加熱使得揮發物進入冷凝器并冷凝，而不可壓縮的氣體通過真空泵抽出，最后進行富集回收。

有機溶劑萃取法是通過加入適當的有機溶劑作為萃取劑，把電解液轉移到萃取劑中，萃取后利用萃取產物溶液中各成分的不同沸點，進行蒸餾或分餾，收集或分離電解液。

超臨界回收方法是指以超臨界為萃取劑，分離鋰離子電池隔膜以及活性物質中吸附的電解液的過程。

外殼

外殼主要用于保護電池內部材料，避免電池收到外部壓力作用而變形（尤其是隔膜，剛度最低），影響電池的安全和壽命。

磷酸鐵鋰電池根據外殼材質不同分為硬殼磷酸鐵鋰電池和軟包磷酸鐵鋰電池。硬殼磷酸鐵鋰電池是由鋁外殼包裝而成，軟包磷酸鐵鋰電池只是為液態鋰離子電池套上一層鋁塑膜。相比之下，硬殼磷酸鐵鋰電池更重，容量較同規格的軟包磷酸鐵鋰電池略小，但對電芯的保護優于軟包磷酸鐵鋰電池。而軟包磷酸鐵鋰電池由于內部電池是液態，形狀并不固定，可根據不同的需求定制。

電化學反應原理

正極材料的理論電化學比容量為170mA·h/g，相對金屬的電極電勢約為3.45V，理論能量密度為550W·h/kg。電池充放電是在與兩相之間進行，由于與的結構相似，所以具有較好的循環穩定性，在充放電過程中，體積變化約為6.81%。

鋰電池充電時，從正極脫出，經過電解液、隔膜，遷移到負極，此時負極處于富鋰狀態。鋰離子從正極脫出后，正極的轉化為磷酸鐵（）。放電過程正好相反，從石墨礦晶體脫嵌，經過電解液、隔膜，到磷酸鐵鋰正極，重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。其充放電過程的化學反應式可表示如下：

充電時：

放電時：

主要特點

與傳統鉛酸電池相比，可以發現磷酸鐵鋰電池具有綠色環保、相同質量和體積下能量密度較高等特點。

作為鋰離子電池，將磷酸鐵鋰電池與其他常見的鋰離子電池性能對比如下。可以發現磷酸鐵鋰電池具有循環壽命長、安全環保等特點，適合作為動力電池。

磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是常見的動力電池，將其主要參數對比如下。可以發現磷酸鐵鋰電池具有壽命長、成本低的優勢，但其能量密度和低溫性能不如三元鋰電池。

根據以上對比結果，總結磷酸鐵鋰電池的主要特點如下：

能量密度較高：磷酸鐵鋰的能量密度大大高于鉛酸電池。但低于三元鋰電池。

安全性能好：磷酸鐵鋰電化學性能穩定，在充放電過程中電池結構不易發生變化，不易燃燒或爆炸。

循環壽命長：其循環壽命可達2000次，是鉛酸電池的5倍、錳酸鋰電池的4.5倍、鈷酸電池和鎳氫電池的4倍。

環保：磷酸鐵鋰電池不含重金屬，綠色環保無污染。

但磷酸鐵鋰電池也存在一些缺點，主要包括導電性差、振實密度低、低溫性能差等。

導電性差，但可通過化學摻雜以提高其導電性。

振實密度低，導致電池體積較大，難以應用于小型電池，主要用做動力電池。

低溫性能差，所以工作時需要依靠保溫材料維持適合的溫度。

應用領域

新能源汽車的動力電池

磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池是新能源汽車領域兩種主要的動力電池類型。2021年，磷酸鐵鋰電池產量為125.4GWh，占動力電池總產量的57.1%，同比增長263%；裝車量達79.8GWh，占比51.7%，同比增長227.4%。2022年，磷酸鐵鋰電池市場份額超過三元鋰電池，占比55.6%，成為主流動力電池類型之一。以理想i6車型為例，其配備的5C磷酸鐵鋰電池支持5C超級充放電，CLTC續航里程720公里，10分鐘超充可補充500公里續航，體現了磷酸鐵鋰電池在新能源汽車中的實際應用。

磷酸鐵鋰材料的充放電過程主要通過及間的相互轉變來完成。由于轉變期間材料的體積變化率較小且極其穩定，所以磷酸鐵鋰電池的安全性和穩定性相對較強，這是其能夠廣泛應用于新能源汽車的主要原因。

磷酸鐵鋰電池不含重金屬成分，稀有金屬成分也相對較少。磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的動力電池，還能順應碳減排政策，進一步提高中國新能源汽車行業的市場競爭力。

儲能

一方面，與含有稀有金屬的三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池成本更低、性價比高。另一方面，磷酸鐵鋰電池容量大、結構穩定、安全環保，適用于電力系統儲能。隨著中國電化學儲能行業的迅速發展，中國儲能電池出貨量增速已經趕超動力電池。2022年，全球儲能電池出貨量達142.7GWh，同比增長204.3%。另外，據高工產業研究院（GGII）預測，儲能領域的復合增速在未來三年將超過70%，預計全球儲能電池出貨量將于2025年達700GWh，到2030年超過2TWh。

磷酸鐵鋰電池儲能系統是采用磷酸鐵鋰電池作為數據中心儲能介質，既可當UPS電池的應急后備電源，又可以作為儲能電站運行。在電力處于低谷時段蓄電，在電力處于高峰時段放電，給數據中心IT設備供電，以實現電力削峰填谷。以磷酸鐵鋰電池為儲能介質的鋰電池系統，不僅能夠滿足電力儲能系統中儲能容量、功率規模、循環壽命的要求，還能符合全生命周期成本低、建設周期短和安裝維護簡單等需要。

磷酸鐵鋰電池在家用儲能應用范圍也比較廣，適宜用于普通家庭用電需求。磷酸鐵鋰在家用儲能采用的運營模式為：在高峰時段、光照相對充足時，系統能量優先供給負載，多余給電池充電；在光照不足、電池無法滿足負載供電需求時，電網將補充剩余的電能；在低谷時段，電網給負載供電，同時給電池充電。另外，常見的磷酸鐵鋰電池儲能產品包括戶外電源、UPS等。

發展趨勢

為推動新能源汽車產業高質量發展，2020年10月20日中國國務院辦公廳發布新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年），其中提到，推動新能源汽車的發展有助于推動綠色發展，也是中國成長為汽車強國的必由之路。2022年，中國新能源汽車產銷分別達705.8和688.7萬輛，同比增長96.9%和93.4%，市場占有率從2021年的13.4%上升至25.6%，出口量達67.9萬輛，較2021年增長120%，出口占有率從2021年的15.4%上升至21.8%。新能源汽車銷售量占比汽車新車銷售總量在2022年已達25.6%。

另一方面，2022年，中國風電、光伏發電新增裝機突破1.2億千瓦。據全球風能理事會市場信息平臺預計，2021-2026年風能在全球范圍內將新增557GW裝機量，年均新增裝機量不低于110GW。電池儲能市場隨之迅速擴展。截至2022年底，全國已投運新型儲能項目裝機規模達870萬千瓦，同比增長110%以上。其中，鋰離子電池儲能技術占新增裝機技術94.2%，處于絕對主導地位。

隨著新能源汽車產業和儲能產業的發展，磷酸鐵鋰電池的需求也將大大提升。未來主要的發展趨勢，可以著眼于現下的限制，提升電池商業化性能(倍率、容量、動力學)、改進電池回收再利用技術以及解決熱失控問題三個方面。

隨著新能源汽車市場需求的擴大，消費者對磷酸鐵鋰電池的性能要求也越來越高。而磷酸鐵鋰電池只有通過串聯或并聯成百上千塊單體組成電池組，才能完成整車的供電，因此均衡控制是后續研究的一個重要方向。

另一方面，磷酸鐵鋰電池作為動力電池，其退役后的再利用流程和技術亟待完善。最后，隨著磷酸鐵鋰電池材料生產技術提高，電池組的外觀尺寸進一步減小，冷卻通道也變得狹小，對電池熱失控管理系統的要求也將變高。因此，電池組熱失控管理系統改進是一大發展趨勢。

標準規范

中國相關的標準規范

中國現行的磷酸鐵鋰電池相關行業標準有：

《通信基站梯次利用車用動力電池的技術要求與試驗方法第1部分：磷酸鐵鋰電池》（標準號：YD/T 3768.1-2020）：規定了通信基站用梯次利用車用動力磷酸鐵鋰電池/電池組的分類和系列、技術要求、試驗方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸和儲存。

《通信用48V磷酸鐵鋰電池管理系統技術要求和試驗方法》（標準號：YD/T 3408-2018）：規定了標稱電壓為48V的通信用磷酸鐵鋰電池組管理系統技術要求和試驗方法。

《通信用磷酸鐵鋰電池組第2部分：分立式電池組》（標準號：YD/T 2344.2-2015）：規定了通信用分立式磷酸鐵鋰電池組的定義、要求、檢驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。

《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》（標準號：YD/T 2344.2-2015）：規定了通信用磷酸鐵鋰電池組的定義、要求、試驗方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸和儲存。本部分適用于電池模塊與電池管理系統集成為一體的通信用磷酸鐵鋰電池組。。

涉及磷酸鐵鋰電池的相關規范有《鋰離子電池行業規范條件（2021年本）》。其中要求磷酸鐵鋰電池能量密度≥160Wh/kg，電池組能量密度≥115Wh/kg。

全球范圍內的標準規范

國際上鋰離子電池相關標準如下：

《二次電池和電池裝置的安全要求第5部分: 固定式鋰離子電池的安全操作》（IEC 62485-5:2020 ED1）

《勘誤1 二次電池和電池裝置的安全要求第5部分：固定式鋰離子電池的安全操作》（IEC 62485-5:2020/COR1:2022 ED1）

《二次電池和電池裝置的安全要求第6部分：牽引用鋰離子電池的安全操作》（IEC 62485-6:2021 ED1）

《勘誤1 二次電池和電池裝置的安全要求第6部分：牽引用鋰離子電池的安全操作》（IEC 62485-6:2021/COR1:2023 ED1）

《電能存儲（ESS）系統第5-4部分電網集成 EES 系統的安全試驗方法和程序鋰離子電池系統》（IEC 62933-5-4 ED1）

《汽車啟動、照明、點火（SLI）應用和輔助用途用12V 鋰離子二次電池第1部分一般要求和試驗方法》（IEC 63118 ED1）

《船用蓄電池系統第1部分：二次鋰電池和蓄電池安全要求》（IEC 63462-1 ED1）

其他

品牌制造商

比亞迪

在動力電池方面，2020年比亞迪發布了刀片電池新技術。刀片電池已通過動力電池測試領域最嚴格的針刺測試，其最大的特點就是安全。在同樣的測試條件下，三元鋰電池在針刺瞬間出現劇烈的溫度變化，表面溫度迅速超過500℃并開始劇烈燃燒；傳統磷酸鐵鋰塊狀電池無明火、有煙，表面溫度達到200℃—400℃；“刀片電池”在穿透后無明火、無煙，電池表面溫度僅有30℃—60℃左右。同時，通過結構設計創新，刀片電池的續航里程能夠提升到比肩三元電池的水平。第二代刀片成組后能量密度達到150Wh/kg，預計2025年可實現能量密度大于180Wh/kg。比亞迪也提出了儲能方案，推出“光儲一體化”，致力于新能源的獲取、存儲和應用。

國軒高科

在動力電池方面，國軒高科研發的磷酸鐵鋰電池通過采用自主研發高性能LFP正極材料、首次應用硅負極材料，能量密度已突破210Wh/kg。同時，其發布的JTM電池，引入了從卷芯直接到模組的一體化制造技術，可實現在一條產線上生產廣泛適應的電池產品，在降低生產成本的基礎上大幅提升電池性能和普適性。國軒高科全球總部執行副總裁程騫曾透露，該公司計劃2030年將磷酸鐵鋰電池能量密度提高近一倍至300Wh/kg，從而使電動汽車的續駛里程增加一倍。在儲能方面，采用高能量密度磷酸鐵鋰電芯的儲能電池柜是其主要產品。

寧德時代

在動力電池方面，2019年，寧德時代（CATL）研究出CTP結構。CTP即無模組動力電池包，技術亮點是跳過模組，直接將電芯集成為電池包。由于取消了包裹在電芯外的模組外殼，電池包有了更多空間排列電芯，整體能量密度得以增加，從而提高續航里程。在儲能方面，寧德時代自主研發高性能磷酸鐵鋰電池。其推出的UPS鋰電池柜和48100基站電箱均是磷酸鐵鋰產品。