2.1.1 磷酸铁锂电池
1. 特点与优势
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂电池，具有以下优势和特点。
（1）安全性能的改善 磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充电时，也不会结构崩塌、发热或是形成强氧化性物质，因此它拥有良好的安全性。即使电池内部或外部受到伤害，电池也不燃烧、不爆炸。有报告指出，磷酸铁锂电池在实际操作针刺或短路实验中，出现小部分样品发生燃烧的现象，但未出现一例爆炸事件，而过充电试验中使用大大超出自身放电电压数倍的高电压充电，依然会有爆炸现象产生。尽管如此，其过充电安全性较之其他电池，已大有改善。
（2）寿命的改善 铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高500次，而磷酸铁锂电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1～1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，理论寿命将达到7～8年。综合考虑，其性能价格比在理论上为铅酸电池的4倍。大电流放电可达2C电流快速充放电，使用专用充电器，以1.5C充电40min即可使电池充满，启动电流可达2C，而铅酸电池无此性能。经测试，该类型电池经过500次循环充放电，其放电容量仍大于95%。
（3）高温性能好 磷酸铁锂电热峰值可达350～500℃，而锰酸锂和钴酸锂的电热峰值只有200℃左右。磷酸铁锂电池工作温度范围宽广（-20～+75℃），有耐高温特性，这使得磷酸铁锂电池的使用地点、场合大大扩大。外部温度为65℃时，内部温度高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，但电池的结构安全、完好。
（4）大容量 具有比普通电池（铅酸等）更大的容量，为5～1000A·h（单体）。
（5）高效率输出 标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C。
（6）无记忆效应 如果电池经常在充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量，这种现象叫作记忆效应。镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。
（7）体积小、重量轻 同等规格容量的磷酸铁锂电池体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池重量的1/3。
（8）环保并对环境无污染 该电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属）、无毒（SGS认证通过）、无污染、符合欧盟RoHS规定的绝对绿色环保电池。铅酸电池中存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，仍将对环境形成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用过程中，均无污染。锂电池之所以被业界看好，主要是出于环保考量，因此该电池又被列入了“十五”期间的国家高技术研究发展计划（简称863计划），成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入WTO，中国电动自行车的出口量迅速增大，而进入欧美的电动自行车要求配备无污染电池。有专家表示，铅酸电池造成的环境污染，主要发生在企业不规范的生产过程和回收处理环节，因而锂电池虽然属于新能源产品，但也不能避免重金属污染的问题。金属材料加工中铅、砷、镉、汞、铬等元素有可能会释放到灰尘和水中。电池本身就是一种化学物质，所以有可能会产生两种污染：一是生产工程中的工艺排泄物污染，二是报废以后的电池污染。
目前最有希望应用于动力型锂电池的正极材料主要有锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）和镍钴锰酸锂（Li（Ni，Co，Mn）O2）三元材料。由于钴的资源缺乏与镍、钴成本高和价格波动大等原因，普遍认为镍钴锰酸锂三元材料很难成为电动汽车用动力型锂电池的主流，但其可以与尖晶石锰酸锂在一定范围内混合使用。
2. 行业现状与劣势
日本和韩国的一些公司如丰田和松下合资成立的Panasonic EV能源公司、日立、索尼、新神户电机、NEC、三洋电机、三星以及LG等，近几年主要开发以改性锰酸锂和镍钴锰酸锂为正极材料的动力型锂电池。美国的一些公司如A123、Valence，主要开发以磷酸铁锂为正极材料的动力型锂电池。美国的主要汽车厂家在其PHEV（插电式混合动力汽车）与EV（电动汽车）中选择锰基正极材料体系动力型锂电池，并且A123公司在考虑进军锰酸锂材料领域，而德国等欧洲国家主要采取和其他国家电池公司合作的方式发展电动汽车，如戴姆勒奔驰和法国Saft联盟、德国大众与日本三洋等。目前德国的大众汽车和法国的雷诺汽车在国家的支持下也正在研发和生产动力型锂电池。
现在国内普遍选择磷酸铁锂作为动力型锂电池的正极材料，政府、科研机构、企业甚至是证券公司的市场分析员都看好这一材料，将其作为动力型锂电池的发展方向。分析其原因，主要有下列两点：首先是受到美国研发方向的影响，美国Valence与A123公司最早采用磷酸铁锂作为锂电池的正极材料；其次是国内一直没有制备出可供动力型锂电池使用的，具有良好高温循环与储存性能的锰酸锂材料。但磷酸铁锂也存在不容忽视的根本性缺陷，归结起来主要有以下几点：
（1）单质铁的安全问题 在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性。单质铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质。单体电池内部短路，无法通过外部控制电路进行保护，不仅会造成高温、高阻，还会造成电池组的连锁反应。这也是日本一直不将该材料作为动力型锂电池正极材料的主要原因。控制办法：①增加单体电池过热隔离装置；②采用单体电池连接措施；③尽量减小单体电池的能量；④使用单体电池的串并联方式；⑤利用温度控制系统。
（2）性能缺陷 磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂电池的能量密度较低；低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。美国阿贡国家实验室储能系统中心主任Don Hillebrand博士谈到磷酸锂铁电池低温性能的时候，用“terrible”一词来形容，对磷酸铁锂型锂电池测试结果表明，磷酸铁锂电池在低温（0℃以下）时无法使电动汽车行驶。尽管也有厂家宣称，磷酸锂铁电池在低温下容量保持率还不错，但那是在放电电流较小和放电截止电压很低的情况下。在这种状况下，设备根本就无法启动工作。
振实密度指在规定条件下容器中的粉末未经振实后所测的单位容积的质量。如果合成的LiFePO4粉末颗粒为不规则形状，则其不能密集堆积，导致产物振实密度低。球状材料具有优异的流动性和分散性，其颗粒表面比较容易包覆完整、均匀、牢固的修饰层，有利于经过表面修饰以提高其综合性能。因此，提高LiFePO4材料振实密度的重要思路之一为制备球形颗粒。压实密度=面密度/材料的厚度。压实密度与片比容量、效率、内阻以及电池循环性能有密切的关系。一般来说，压实密度越大，电池的容量就能做得越高。
（3）制备及制造成本高 材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低、一致性差，不易统一工艺。虽然磷酸铁锂的纳米化和碳包覆提高了材料的电化学性能，但是也带来了其他问题，如能量密度的降低、合成成本的提高、电极加工性能不良以及对环境要求苛刻等问题。尽管磷酸铁锂中的化学元素Li、Fe与P很丰富，成本也较低，但是制备磷酸铁锂产品的成本并不低，即使去掉前期的研发成本，该材料的工艺成本加上较高的制备电池成本，也会使得最终单位储能电量的成本较高。
（4）产品一致性差问题 目前国内还没有一家磷酸铁锂材料厂能够解决这一问题。从材料制备角度来说，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的反应过程，有固相磷酸盐、铁的氧化物以及锂盐，外加碳的前驱体以及还原性气相。在这一复杂的反应过程中，很难保证反应的一致性。
（5）知识产权问题 最早的有关磷酸铁锂的专利申请在1993年6月25日由FX MITTERMAIER&SOEHNE OHG（DE）获得，并于同年8月19日公布申请结果。磷酸铁锂的基础专利为美国德州大学所有，而碳包覆专利被加拿大人申请。这两个基础性专利是无法绕过去的，如果成本中计算上专利使用费，产品成本将会进一步提高。
此外，从研发和生产锂电池的经验来看，日本是锂电池最早商业化的国家，一直占据着大部分高端锂电池市场。而美国尽管在一些基础研究上领先，但是到目前为止还没有一家大型锂电池生产企业。因此，日本选择改性锰酸锂作为动力型锂电池正极材料更有其道理。即使是在美国，采用磷酸铁锂和锰酸锂作为动力型锂电池正极材料的厂家也是各占一半，联邦政府也是同时支持这两种体系的研发，它们同时作为动力型锂电池的正极材料，在新能源汽车等领域获得广泛应用。如果能够解决锰酸锂存在的高温循环与储存性能差的难题，凭借其低成本与高倍率性能的优势，在动力型锂电池中的应用将有巨大的潜力。
3. 工作原理
磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，由于它的性能特别适于作动力方面的应用，因此也称为磷酸铁锂动力电池，也有人把它称为锂铁动力电池。在金属交易市场中，钴（Co）最贵，而且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。
充电电池对材料的要求是容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学性能稳定、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的锂电池在这些性能要求上，特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳、安全（不燃烧、不爆炸）、寿命（循环次数）、对环境无污染上表现都不错，是目前最好的大电流输出动力电池。LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。
4. 主要性能
LiFePO4电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正负极材料、电解质材料的质量及制造工艺不同，其性能上会有些差异。例如同一种型号（同一种封装）的标准电池，其容量有较大差别（10%～20%），按容量大小，磷酸铁锂电池可以分成三类：小型（零点几到几毫安时）、中型（几十毫安时）、大型（几百毫安时）。不同类型电池的同类参数也有一些差异。
5. 典型应用
由于磷酸铁锂电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到了广泛的应用。它主要应用领域有：
1）大型新能源汽车，如公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等。
2）轻型新能源汽车，如电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等。
3）电动工具，如电钻、电锯、割草机等。
4）遥控汽车、船、飞机等玩具。
5）太阳能及风力发电的储能设备。
6）UPS及应急灯、警示灯及矿灯（安全性最好）。
7）替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）。
8）小型医疗仪器设备及便携式仪器等。
举一个用磷酸铁锂电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10A·h即能量为360W·h的铅酸电池作为某新能源汽车的动力源，其质量为12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用磷酸铁锂电池，采用同样的360W·h能量（12个10A·h电池串联组成），其重量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达3～5年。虽然说磷酸铁锂电池的价格较铅酸电池高得多，但总的经济效果还是采用磷酸铁锂电池更好，并且更轻便。
6. 电池性能
锂电池的性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是在2005年7月，其安全性能与循环寿命是其他材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。采用磷酸铁锂正极材料做出的大容量锂电池，可以提升续航，以解决新能源汽车频繁充放电的问题。磷酸铁锂具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜、寿命长等优点，是新一代锂电池的理想正极材料。
7. 主要技术要求
（1）工作温度范围 锂电池组在下列环境温度条件下使用：充电环境温度为-10～55℃；放电环境温度为-20～60℃。
（2）电气性能 电池模块内各电芯应为同一厂家生产、结构相同、化学成分相同的产品，且符合下列要求：
1）电池模块内各电芯之间静态开路电压最大值与最小值的差值应不大于0.05V。
2）电池模块内各电芯之间静态内阻最大值与最小值的差值应符合：10mΩ以下的偏差绝对值不超过0.5mΩ，10mΩ以上的不超过平均值的5%。
3）电池模块内各电芯之间，容量最大值与最小值的差值应不超过平均值的±1%。
（3）容量保存率 电池组容量应不低于额定容量的95%。
（4）循环寿命 电池组的循环寿命应为800～2000次。
（5）高温性能 电池组按规定进行充电后放电，其外观应无明显变形、锈蚀、冒烟或爆炸，其测试循环次数应不少于52次。
（6）电磁兼容性
1）静电放电抗扰性。电池组应满足GB/T 17626.2—2018等级4的要求；试验后，其外观应无明显变形、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
2）传导骚扰限值。电池组应满足YD/T 983—2018等级B的要求；试验后，其外观应无明显变形、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
3）辐射骚扰限值。电池组应满足YD/T 983—2018等级B的要求；试验后，其外观应无明显变形、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
4）浪涌（冲击）抗扰性。电池组应满足GB/T 17626.5—2019等级4的要求；试验后，其外观应无明显变形、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
（7）电池管理功能
1）显示精度。电池组配有专用电池管理系统（BMS），BMS显示的各种参数值与电池组实际的参数值之间的误差应符合表2-1的要求。
表2-1 显示精度
注：此表来自通信用磷酸铁锂电池组的行业标准YD/T 2344.1—2011。下文中的规定均来自此行业标准，且此标准适用其他磷酸铁锂电池。
2）温度补偿功能。电池组充电应具有温度补偿功能。
（8）监控功能
1）通信接口。电池组宜具有RS232或RS485/422、IP、USB等标准通信接口，通信协议参见YD/T 1363.3—2014中的蓄电池检测装置通信协议，应提供与通信接口配套使用的通信线缆和各种告警信号输出端子。
2）监控内容。电池组应具有以下实时监控功能。
遥测：电池组容量（SOC）、电池组/电芯电压、电池组/电芯电流、环境/电池组/PCB（可选）/电芯温度（可选）、电池组充电/放电电流、电池组内阻（可选）、电池组健康状态SOH（可选）等。
遥信：电池组的充电/放电状态、电池组过充电/过电流告警、电池组放电欠电压/过电流告警、电芯充电过电压告警、电芯放电欠电压告警、电池组极性反接告警、环境/电池组/PCBA/电芯高温告警、环境低温告警、电池组容量过低告警、电池组温度/电压/电流传感器失效告警、电芯失效告警（可选）、电池组失效告警（可选）。
遥控：充电/放电（可选）、告警声音开关。
遥调（可选）：电池组的充电/放电管理参数等。
（9）保护与告警功能
1）过充电保护。电池组处于过充电状态时，应切断充电电路并告警，电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸。
2）过放电保护。电池组放电至截止电压后，应切断放电电路并告警，电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸。
3）短路保护。电池组输出端发生短路，应瞬间切断电路并告警，电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸；故障排除后，应能手动或自动恢复工作；瞬时充电后，电池组电压应不小于标称电压。
4）反接保护。电池组按规定进行试验，应切断电路并告警，电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸；故障排除后，应能自动恢复工作；瞬时充电后，电池组电压应不小于标称电压。
5）过载保护。电池组放电电流达到过载保护电流时，应切断电路并告警，电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸；故障排除后，应能自动恢复工作；瞬时充电后，电池组电压应不小于标称电压。
6）温度保护。当温度达到表2-2中保护点范围时，电池组应切断电路并告警；除电池组内部BMS元器件高温保护外，温度达到恢复点范围时，电池组应自动恢复工作；电池组应不漏液、冒烟、起火或爆炸。
表2-2 温度保护
（10）安全性能分类
1）抗重物冲击。电池组按6.9.2规定进行试验，应不起火、不爆炸。
2）抗热冲击。电池组按6.9.3规定进行试验，应不起火、不爆炸。
3）抗过充电。电池组按6.9.4规定进行试验，应不起火、不爆炸。
4）抗过放电。电池组按6.9.5规定进行试验，应不起火、不爆炸。
5）抗短路。电池组按6.9.6规定进行试验，应不起火、不爆炸。
6）高温储存。电池组按6.9.7规定进行试验，应不漏液、冒烟、起火或爆炸。
7）抗加热。电池组按6.9.8规定进行试验，爆炸电池没有任何部分穿透网屏，没有部分或全部电池突出网屏。
8）抗穿刺。电池组按6.9.9规定进行试验，应不起火、不爆炸。
9）抗挤压。电池组按6.9.10规定进行试验，应不起火、不爆炸。
10）抗低压。电池组按6.9.11规定进行试验，应不漏液、冒烟、起火或爆炸。
11）恒定湿热。电池组按6.9.12规定进行试验，其外观应无明显变形、锈蚀、冒烟或爆炸，其容量应不低于额定容量的90%。
12）抗振动。电池组按6.19.13规定进行试验，其外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
13）抗碰撞。电池组按6.9.14规定进行试验，其外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，并能正常工作。
（11）温度循环。电池组按6.6.15规定进行试验，应不漏液、冒烟、起火或爆炸；电池组外观无破裂，无质量损失，容量不低于初始状态时的70%。
（12）阻燃性能。对于有塑料外壳和保护盖的电池组，按照6.6.16规定进行测试，外壳应符合GB/T 2408—2008中第8.3.2条FH-1（水平级）和第9.3.2条FV-0（垂直级）的要求。
（13）绝缘电阻。对于有金属外壳的电池组，电池组正负极接口对电池组金属外壳的绝缘电阻均不小于2MΩ。