リン酸鉄リチウム電池の正式名称はリン酸鉄リチウムイオン電池ですが、この名前は長すぎるため、リン酸鉄リチウム電池と呼ばれます。その性能が特に電力用途に適しているため、名前に「電力」という言葉が付けられ、リン酸鉄リチウム電池と呼ばれています。 「リチウム鉄（LiFe）動力電池」と呼ぶ人もいます。
動作原理
リン酸鉄リチウム電池とは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池を指します。リチウムイオン電池の主な正極材料は、コバルトリチウム、マンガン酸リチウム、ニッケルリチウム、三元系材料、リン酸鉄リチウムなどです。コバルト酸リチウムは、ほとんどのリチウムイオン電池で使用される負極材料です。
意義
金属取引市場ではコバルト（Co）が最も高価で貯蔵量が少なく、ニッケル（Ni）とマンガン（Mn）は安価で、鉄（Fe）は貯蔵量が多い。陽極材料の価格もこれらの金属の価格と一致しています。したがって、LiFePO4 正極材料で作られたリチウムイオン電池はかなり安価になるはずです。もう一つの特徴は環境を汚染しないことです。
二次電池としての要件は、大容量、高出力電圧、良好な充放電サイクル性能、安定した出力電圧、大電流充放電、電気化学的安定性、使用上の安全性（誤った操作により発火や爆発を起こさないこと）です。過充電、過放電、短絡など）、広い動作温度範囲、無毒または低毒性、環境への汚染がありません。 LiFePO4を正極として使用するリン酸鉄リチウム電池は、これらの性能要件、特に大放電率放電（5〜10C放電）、安定した放電電圧、安全性（無燃焼、無爆発）、寿命（サイクル数）、環境への汚染がなく、現在最高の高電流出力パワーバッテリーです。
構造と動作原理
電池の正極としての LiFePO4 は、アルミニウム箔によって電池の正極に接続されています。中央にはポリマー隔膜があり、正極と負極を隔てていますが、リチウムイオンLiは通過できますが、電子e-は通過できません。右側はカーボン（グラファイト）からなる電池の負極で、銅箔で電池の負極と接続されています。バッテリーの上端と下端の間にはバッテリーの電解液があり、バッテリーは金属シェルで密閉されています。
LiFePO4 バッテリーが充電されると、正極内のリチウムイオン Li がポリマー隔膜を通って負極に移動します。放電プロセス中、負極内のリチウムイオン Li は隔膜を通って正極に移動します。リチウムイオン電池は、充電と放電の際にリチウムイオンが前後に移動することからその名前が付けられています。
主な公演
LiFePO4 バッテリーの公称電圧は 3.2V、充電終了電圧は 3.6V、放電終了電圧は 2.0V です。さまざまなメーカーが使用する正極材料、負極材料、電解質材料の品質やプロセスが異なるため、性能は多少異なります。例えば、同じモデル（同じパッケージの標準バッテリー）でも、バッテリー容量には大きな違いがあります（10％～20％）。
ここで、異なる工場で製造されたリン酸鉄リチウム電池の性能パラメータにはいくつかの違いがあることに注意してください。また、バッテリーの内部抵抗、自己放電率、充放電温度など、バッテリーの性能には含まれていないものがあります。
リン酸鉄リチウム電源バッテリーの容量は大きく異なり、小型の 10 分の 1 ～数ミリアンペア、中型の数十ミリアンペア、大型の数百ミリアンペアの 3 つのカテゴリに分類できます。異なるタイプのバッテリーでは、同じパラメーターにもいくつかの違いがあります。
過放電からゼロ電圧までのテスト:
STL18650(1100mAh)リン酸鉄リチウム電源電池のゼロ電圧までの放電試験を実施しました。テスト条件: 1100mAh STL18650 バッテリーを 0.5C の充電レートで充電し、バッテリー電圧が 0C になるまで 1.0C の放電レートで放電します。次に、0V に置いた電池を 2 つのグループに分けます。1 つのグループは 7 日間保管され、もう 1 つのグループは 30 日間保管されます。保管期限が切れると、0.5C の充電率で充電され、1.0C で放電されます。最後に、2 つのゼロ電圧保存期間の差が比較されます。
テストの結果、ゼロ電圧で 7 日間保管した後でも、バッテリーには漏れがなく、良好な性能があり、容量は 100% であることがわかりました。 30 日間保管後、漏れはなく、良好な性能、98% の容量。 30 日間保管した後、バッテリーをさらに 3 サイクル充電および放電すると、容量は 100% に回復します。
このテストは、リン酸鉄リチウム電池が放電され（0V まで）、一定時間保管された場合でも、電池が液漏れして損傷しないことを示しています。これは他の種類のリチウムイオン電池にはない特徴です。
アドバンテージ
1. 安全性能の向上
リン酸鉄リチウムの結晶中のPO結合は安定で分解しにくく、高温や過充電でも崩壊して発熱したり、コバルト酸化リチウムのような強力な酸化物質を生成したりすることがないため、安全性に優れています。実際の針の動作や短絡実験ではサンプルのごく一部に発火が確認されたと報告されているが、爆発事象はなく、過充電実験では自己放電を大きく超える高電圧充電を行った電圧を数回印加した後、まだ爆発が発生していることが判明しました。ただし、過充電安全性は通常の電解液コバルト酸リチウム電池に比べて大幅に向上しています。
2. 生活の改善
リン酸鉄リチウム電池は、正極材料としてリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン電池です。
長寿命鉛蓄電池のサイクル寿命は約 300 回、最大 500 回ですが、リン酸鉄リチウム電池のサイクル寿命は 2000 回以上で、標準充電 ({{5} ｝時間料金）で2000回使用可能です。同じ品質の鉛蓄電池は「新しいのは半年、古いのは半年、メンテナンスとメンテナンスでさらに半年」、長くても1～1.5年、リン酸鉄リチウム電池も同じ条件で使用すると理論上寿命は7〜8年に達します。全体的に考えると、理論上、性能価格比は鉛蓄電池の 4 倍以上になります。高電流放電は高電流2Cの急速充放電が可能で、特別な充電器の下では1.5Cの充電で40分以内に完全に充電でき、開始電流は最大2Cで、鉛蓄電池にはこの性能がありません。
3. 優れた高温性能
リン酸鉄リチウムのピーク値は 350 度 -500 度に達することがありますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムは約 200 度にすぎません。動作温度範囲は広く（-20C-- 75C）、リン酸鉄リチウムの電気ピークは350度-500度に達しますが、マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムはわずか350度に達します。約200度。
4.大容量
バッテリーは満充電で放電していない状態で動作することが多く、メモリー効果と呼ばれる容量が急速に定格容量値より低下します。ニッケル水素電池と同様に、ニッケルカドミウム電池にはメモリーがありますが、リン酸鉄リチウム電池にはそのような現象がなく、電池がどのような状態であっても、一度入れて充電することなく、そのまま充電して使用することができます。
6. 軽量
同じ容量のリン酸鉄リチウム電池の体積と重さは、鉛蓄電池の体積の 2/3、重さの 1/3 です。
7. 環境保護
リン酸鉄リチウム電池は一般に、重金属やレアメタルを含まず（ニッケル水素電池にはレアメタルが必要）、無毒（SGS 認証）、無公害であり、欧州の RoHS 規制に準拠しており、絶対的なグリーン製品であると考えられています。バッテリー証明書。したがって、リチウム電池が業界で楽観視されている理由は主に環境保護への配慮であるため、この電池は「第10次5カ年計画」期間中の国家ハイテク開発計画「863」に組み込まれています。開発を支援し促進するための国家的重要プロジェクトとなっています。中国のWTO加盟で電動自転車の輸出量が急増し、欧米に入る電動自転車には無公害バッテリーの搭載が求められている。
しかし、一部の専門家は、鉛蓄電池による環境汚染は主に企業の規格外の生産工程やリサイクル工程で発生すると指摘している。同様に、新エネルギー産業に属するリチウム電池も優れていますが、重金属汚染の問題を避けることはできません。金属材料の加工時に鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、クロムなどが粉塵や水中に放出される場合があります。バッテリー自体は化学物質であるため、2 種類の汚染が発生する可能性があります。1 つは生産プロジェクトにおけるプロセス廃棄物汚染です。 2つ目は、廃棄後のバッテリーの汚染です。
リン酸鉄リチウム電池には、低温性能が低い、正極材料の振動密度が小さい、同じ容量のリン酸鉄リチウム電池の体積がコバルト酸リチウムなどのリチウムイオン電池よりも大きいなどの欠点もあります。マイクロバッテリーという点では利点があります。リン酸鉄リチウム電池を動力電池として使用する場合、他の電池と同様に電池の一貫性の問題に直面する必要があります。
欠点
材料に応用展開の可能性があるかどうかは、その長所だけでなく、その材料に根本的な欠陥があるかどうかが重要です。
中国は現在、一般に、政府、科学研究機関、企業、さらには証券会社まで、動力用リチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムを選択しており、他の市場アナリストもこの材料を動力用リチウムイオン電池の開発として楽観視している。方向。その理由は主に次のとおりです。 まず、米国の研究開発の方向性の影響を受け、米国のヴァレンス社とA123社が最初にリン酸鉄リチウムをリチウムイオン電池の正極材料として使用しました。第二に、動力用リチウムイオン電池用に良好な高温サイクル特性と保存特性を備えたマンガン酸リチウム材料を国内で製造した例は存在しない。しかし、リン酸鉄リチウムには無視できない根本的な欠陥もあり、それは次のように要約できます。
1. リン酸鉄リチウム製造の焼結プロセスにおいて、酸化鉄は高温の還元雰囲気中で元素の鉄に還元される可能性があります。鉄単体はバッテリーの微小短絡を引き起こす可能性があり、バッテリー内で最もタブーな物質です。これが、日本がこの材料を動力用リチウムイオン電池の正極材料として使用していない主な理由でもある。
2. リン酸鉄リチウムには、振動密度や圧縮密度が非常に低いなどの性能上の欠陥があり、その結果、リチウムイオン電池のエネルギー密度が低くなります。低温性能は悪く、ナノコーティングやカーボンコーティングでもこの問題は解決できませんでした。米国アルゴンヌ国立研究所エネルギー貯蔵システムセンター所長のドン・ヒルブランド博士は、リン酸鉄リチウム電池の低温性能について語る際、リン酸鉄リチウム・リチウムイオン電池が示した試験結果についてひどい言葉を使って述べた。リン酸鉄リチウム電池は低温（0℃以下）では電気自動車を走らせることができません。リン酸鉄リチウム電池は低温時の容量維持率が良いと謳っているメーカーもありますが、これは放電電流が小さく、放電終止電圧が低い場合の話です。この場合、デバイスはまったく動作し始めません。
3.材料の準備コストと電池の製造コストが高く、電池の歩留まりが低く、一貫性が低い。リン酸鉄リチウムのナノメートルコーティングとカーボンコーティングは材料の電気化学的性能を向上させますが、エネルギー密度の低下、合成コストの増加、電極加工性能の低下、厳しい環境要件などの他の問題も引き起こします。リン酸鉄リチウムの化学元素Li、Fe、Pは非常に豊富で、コストは低いですが、初期の研究開発コストを差し引いても、調製されたリン酸鉄リチウム製品のコストは低くはなく、そのプロセスコストは高くありません。材料にバッテリーを準備するための高いコストが加わると、最終的な単位エネルギー貯蔵コストが高くなります。
4. 製品の一貫性が低い。現在、中国にはこの問題を解決できるリン酸鉄リチウム材料工場は存在しない。材料調製の観点から見ると、リン酸鉄リチウムの合成は、固相のリン酸塩、酸化鉄、リチウム塩に加え、炭素前駆体と還元性気相を含む複雑な多相反応です。この複雑な反応プロセスでは、反応の一貫性を確保することが困難です。
5. 知的財産の問題。現在、リン酸鉄リチウムの基本特許はテキサス大学が所有しており、炭素コーティングの特許はカナダ人が出願している。この 2 つの基本特許を回避することはできず、ロイヤルティコストを計算すると、製品のコストはさらに上昇します。
また、日本はリチウムイオン電池の研究開発と生産の経験から、リチウムイオン電池を初めて実用化した国であり、常にハイエンドリチウムイオン電池市場を占めてきました。米国は一部の基礎研究でリードしているものの、これまでのところ大手リチウムイオン電池メーカーが存在しない。したがって、日本にとっては、ダイナミック型リチウムイオン電池の正極材料として変性マンガン酸リチウムを選択する方が合理的である。米国でも、動力用リチウムイオン電池の正極材料としてリン酸鉄リチウムとマンガン酸リチウムの使用を二分しており、連邦政府も両システムの開発を支援している。リン酸鉄リチウムには上記のような問題があるため、新エネルギー自動車などの分野における動力用リチウムイオン電池の正極材料として広く使用することは困難である。低コストと高レート性能という利点を活かして、マンガン酸リチウムの高温サイクルと保存性能が低いという問題を解決できれば、ダイナミックリチウムイオン電池の応用において大きな可能性を秘めることになります。
