深入了解磷酸鐵鋰電池，特斯拉的電池新選擇

特斯拉最近透露其打算在其標準續航里程車輛中採用磷酸鐵鋰 (LFP) 電池。LFP 電池對鋰離子電池有什麼作用？

雖然磷酸鐵鋰 (LFP) 電池以前一直被擱置以支持鋰離子電池，但電動汽車製造商的這種情況可能正在發生變化。特斯拉 2021 年第三季度報告宣布，該公司計劃在其所有標準範圍車輛中過渡到 LFP 電池 。

這一消息反映了磷酸鐵鋰電池在下一代電動汽車 (EV) 中越來越受歡迎的更大趨勢。

什麼是 LFP 電池？

LFP 電池使用磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 作為陰極材料，同時使用石墨碳電極和金屬背襯作為陽極。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 網路。

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) 電池類似，在正極和負極之間移動以進行充電和放電。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恆定電壓。

電池管理系統在 LFP 電池中的作用是什麼？

LFP 電池不僅僅由連接的電池組成；它們包括一個系統，可確保電池保持在安全範圍內。電池管理系統 (BMS) 在所有操作條件下保護、控制和監控電池，以確保安全並延長電池的使用壽命。

圖表說明充電指標如何影響電池的使用壽命。圖片來自 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，但它們仍然會受到充電過程中過壓的影響，從而降低性能。陰極材料也會氧化並變得不太穩定。BMS 用於限制每個電池並確保電池本身保持在最大電壓。

隨著電極材料的分解，欠壓是一個問題。如果任何電池電量降得太低，BMS 能夠將電池從電路中斷開。它還將作為過流條件的後備器，並在發生短路時關閉操作。

為什麼 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於鈷酸鋰 (LiCoO2) 的替代品，並且具有較低的工作電壓。儘管存在這些挑戰，但不可否認 LFP 電池在電動汽車中的優勢。

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%。成本優勢來自其化學成分。鐵和磷在全球範圍內大規模開採，並廣泛用於許多行業。

2020年，LFP電池的最低報告電池價格首次達到100美元/千瓦時以下。LFP電池對環境的影響也較小；它們不含鎳或鈷，它們供應受限、價格昂貴且對環境的影響更大。

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，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電池不易發生影響容量的反應。

幾個 LFP 電池串聯和並聯。圖片來自 Yo-Co-Man 和Wikimedia Commons[CC BY-SA 4.0]

憑藉一致的放電電壓和較低的內阻，LFP 驅動的車輛可以更快地提供電力並實現更高的充電/放電效率。

提高安全性和穩定性

LFP 具有熱穩定性和化學穩定性，因此不太容易因誤用或結構損壞而發生爆炸或火災。在鈷酸鋰電池中，熱失控可能是由於缺少具有負溫度係數的鈷而導致的。

據說 LFP 的熱量是富鎳 NMC 的六分之一。LFP電池中的Co-O鍵也更強，因此如果短路或過熱，氧原子的釋放速度會更慢。更重要的是，完全充電的電池中沒有鋰殘留，與其他鋰電池典型的放熱反應相比，它們在氧氣損失過程中具有很強的抵抗力。

大規模採用 LFP 的注意事項

雖然磷酸鐵鋰電池比替代品更便宜、更穩定，但阻礙大規模採用的一個關鍵因素是能量密度。LFP 電池的能量密度遠低於替代品，在 15% 到 25% 之間。然而，隨著更厚的電極（例如上海製造的 Model 3 中使用的電極），這種情況開始發生變化，提供359Wh/L 的能量密度。

由於 LFP 電池的生命周期長，在擁有大約一年後，它們實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，隨著時間的推移，這些電池的能量密度變得更具可比性。

大規模採用的另一個障礙是一系列 LFP 專利讓中國主導了市場。隨著這些專利到期，有人建議 LFP 生產將與車輛製造一起本地化。

福特、大眾和特斯拉等主要汽車製造商正越來越多地利用該技術並替代鎳或鈷配方。特斯拉最近在其季度更新中的公告僅僅是個開始。特斯拉還對其4680 電池組進行了簡要更新，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採用「電池到電池組」結構來塞入更多電池並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

儘管是過時的技術，但 LFP 及其相關的電池成本降低可能​是加速大規模 EV 採用的基礎。到 2023 年，鋰離子電池的價格預計將接近 100 美元/千瓦時。LFP 可能會讓汽車製造商更加重視便利性或充電時間等因素， 而不僅僅是價格。