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特斯拉最近透露其打算在其標準續航里程車(chē)輛中采用磷酸鐵鋰 (LFP) 電池。LFP 電池對鋰離子電池有什么作用？
雖然磷酸鐵鋰 (LFP) 電池以前一直被擱置以支持鋰離子電池，但電動(dòng)汽車(chē)制造商的這種情況可能正在發(fā)生變化。特斯拉 2021 年第三季度報告宣布，該公司計劃在其所有標準范圍車(chē)輛中過(guò)渡到 LFP 電池 。
這一消息反映了磷酸鐵鋰電池在下一代電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中越來(lái)越受歡迎的更大趨勢。
什么是 LFP 電池？LFP 電池使用磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 作為陰極材料，同時(shí)使用石墨碳電極和金屬背襯作為陽(yáng)極。與許多正極材料不同，LFP 是由一種以上帶負電的元素組成的聚陰離子化合物。與鎳錳鈷的二維板相比，它的原子排列成晶體結構，形成鋰離子的 3D 網(wǎng)絡(luò )。
LFP 電池的架構。圖片由Rebel Batteries提供
LFP 電池的工作原理與其他鋰離子 (Li-ion) 電池類(lèi)似，在正極和負極之間移動(dòng)以進(jìn)行充電和放電。然而，與氧化鈷或氧化錳相比，磷酸鹽是一種無(wú)毒材料。更重要的是，LFP 電池能夠在 2,000–3,000 次的更高充電周期內提供恒定電壓。
電池管理系統在 LFP 電池中的作用是什么？LFP 電池不僅僅由連接的電池組成；它們包括一個(gè)系統，可確保電池保持在安全范圍內。電池管理系統 (BMS) 在所有操作條件下保護、控制和監控電池，以確保安全并延長(cháng)電池的使用壽命。
圖表說(shuō)明充電指標如何影響電池的使用壽命。圖片來(lái)自 Illogicdictates 和Wikimedia Commons[CC BY-SA 4.0]
雖然磷酸鐵鋰電池比替代品更具耐受性，但它們仍然會(huì )受到充電過(guò)程中過(guò)壓的影響，從而降低性能。陰極材料也會(huì )氧化并變得不太穩定。BMS 用于限制每個(gè)電池并確保電池本身保持在最大電壓。
隨著(zhù)電極材料的分解，欠壓是一個(gè)問(wèn)題。如果任何電池電量降得太低，BMS 能夠將電池從電路中斷開(kāi)。它還將作為過(guò)流條件的后備器，并在發(fā)生短路時(shí)關(guān)閉操作。
為什么 LFP 電池是鋰離子電池的理想替代品？磷酸鐵鋰電池的能量密度低于鈷酸鋰 (LiCoO2) 的替代品，并且具有較低的工作電壓。盡管存在這些挑戰，但不可否認 LFP 電池在電動(dòng)汽車(chē)中的優(yōu)勢。
低成本和低影響LFP 以其低成本而聞名，據估計，它每公斤比富含鎳的 NMC 低 70%。成本優(yōu)勢來(lái)自其化學(xué)成分。鐵和磷在全球范圍內大規模開(kāi)采，并廣泛用于許多行業(yè)。
2020年，LFP電池的最低報告電池價(jià)格首次達到100美元/千瓦時(shí)以下。LFP電池對環(huán)境的影響也較??；它們不含鎳或鈷，它們供應受限、價(jià)格昂貴且對環(huán)境的影響更大。
定義明確的性能LFP 電池的生命周期比其他鋰離子電池更長(cháng)，因為電池的容量損失速度較慢。它們較低的工作電壓也意味著(zhù)電池不易發(fā)生影響容量的反應。
幾個(gè) LFP 電池串聯(lián)和并聯(lián)。圖片來(lái)自 Yo-Co-Man 和Wikimedia Commons[CC BY-SA 4.0]
憑借一致的放電電壓和較低的內阻，LFP 驅動(dòng)的車(chē)輛可以更快地提供電力并實(shí)現更高的充電/放電效率。
提高安全性和穩定性LFP 具有熱穩定性和化學(xué)穩定性，因此不太容易因誤用或結構損壞而發(fā)生爆炸或火災。在鈷酸鋰電池中，熱失控可能是由于缺少具有負溫度系數的鈷而導致的。
據說(shuō) LFP 的熱量是富鎳 NMC 的六分之一。LFP電池中的Co-O鍵也更強，因此如果短路或過(guò)熱，氧原子的釋放速度會(huì )更慢。更重要的是，完全充電的電池中沒(méi)有鋰殘留，與其他鋰電池典型的放熱反應相比，它們在氧氣損失過(guò)程中具有很強的抵抗力。
大規模采用 LFP 的注意事項雖然磷酸鐵鋰電池比替代品更便宜、更穩定，但阻礙大規模采用的一個(gè)關(guān)鍵因素是能量密度。LFP 電池的能量密度遠低于替代品，在 15% 到 25% 之間。然而，隨著(zhù)更厚的電極（例如上海制造的 Model 3 中使用的電極），這種情況開(kāi)始發(fā)生變化，提供359Wh/L 的能量密度。
由于 LFP 電池的生命周期長(cháng)，在擁有大約一年后，它們實(shí)際上比具有相似重量的鋰離子電池具有更大的容量。這意味著(zhù)，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些電池的能量密度變得更具可比性。
大規模采用的另一個(gè)障礙是一系列 LFP 專(zhuān)利讓中國主導了市場(chǎng)。隨著(zhù)這些專(zhuān)利到期，有人建議 LFP 生產(chǎn)將與車(chē)輛制造一起本地化。
福特、大眾和特斯拉等主要汽車(chē)制造商正越來(lái)越多地利用該技術(shù)并替代鎳或鈷配方。特斯拉最近在其季度更新中的公告僅僅是個(gè)開(kāi)始。特斯拉還對其4680 電池組進(jìn)行了簡(jiǎn)要更新，該電池組將能夠提供更大的能量密度和續航里程。也有人猜測特斯拉將采用“電池到電池組”結構來(lái)塞入更多電池并補償較低的能量密度。
特斯拉最近表示，它將把 Model 3 EV 轉換為 LFP 電池。圖片由特斯拉提供
盡管是過(guò)時(shí)的技術(shù)，但 LFP 及其相關(guān)的電池成本降低可能是加速大規模 EV 采用的基礎。到 2023 年，鋰離子電池的價(jià)格預計將接近 100 美元/千瓦時(shí)。LFP 可能會(huì )讓汽車(chē)制造商更加重視便利性或充電時(shí)間等因素， 而不僅僅是價(jià)格。
