磷酸铁锂材料及其动力电池产业化现状及前景

1、| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期磷酸铁锂材料及其动力电池产业化现状及前景周宗子朱刚（屮船页工集团公司第了】2研究所 武汉430064）«描述了新熨锲离犷电池正极活性材料LiFePO.的特点，从原材料、技术工艺s设务反市场等方面概括了前国内外LiFePO*材斜及动力电池的研究、生产、应用的现状及未来几年的发展趋毎。关锂离子动力电池r正扱活性材料；UFePO4：电池设备*电动车中噩分类号 | TM9I】立标 码 A文1003-4862 2007）D4-OBOMOResearch and Development Prog

2、ress in the Cathode Material LithiumIron Phosphate and its Power BatteryZhou Zongzi;Zhu Gang(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion、Wuhan450064)Abstract: The characteristics of cathode malarial lithium iron phosphate and its lithium ion power battery are in troduced from raw materials t techn

3、oiogy, equipment and markeL Its progress and future in the last few years are also described in this paper.Keywords: lithium iron battery, cathode active maierials, electric vehicle258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期1前言锂离子电池作为高

4、比能屐化学电源已经广泛 应用丁移动通讯、使携式手提计算机、摄像机、照 相机、便携式仪器仪表導领域，也定各国大力研究 的电动汽车、空间电源的首选配套电源。先进的电 池材料尤直是正极材料构成了 H前谨离子电池更新 换代的核心技术，是锂离子电池的关键技术之一。 自1997iTA.KhPadhi首次报导磷酸铁锂（LiFtPQt） 具有脱嵌锂功能以来，橄横石型磷酸盐类嵌锂材 料JJMPOa CM： Mn, Fs Co. Nt），成为很有潜 力的锂离子电池正极材料.磷酸铁锂件为锂离子电 池用正极材料具有眾好的电化学性能，充放电平台 十分平稳'充放电过程中结构稳定"同时.该材料 无毒、无污

5、染、安全性能好"可在高温环境下使 用、原材料来源广泛等优点.暑冃前电池界竞相开 发研究的热点。与传统的钻酸锂正极材料相比，磷 酸铁锂具有如下优点：收稿日期* 2007-0S-0B悴看简介*周宗子（1964 MJ-离工丫化学电源（1）安全性更高,磷酸铁锂比目前广泛使用的钻酸 锂等材料更安全，以磷酸铁锂作正极材料的毬电池 安全性能可以达到霖镉电池水平.（2）循环性能更好.更稳定。循环寿命可高达2000 次拾0%DOD，并且卜分稳定（衰减卜分缓慢）， 自放电率极低，可达钻酸锂的ins（3岛温性能好“在60-sor放电容fit高于常温 容量；（4不使用战略资源姑.价格低。与LiCcOj Li

6、NiO, LiMn2O4及其衍生物正极 材料相比，LiFePO4正极材料在成本、高温性能、安 全性方面具有突出的优势，可望成为中大容建、中 高功率锂离子电池首选的正极材料。该材料的产业 化利普及应用对降低理离子电池成本提岛电池安 全性，护大锂离子电池产业，促进锂离子电池大型 化、高功率化具有十分重大的意义.将便锂离子电 池在中大容量UPS、中大型储能电池s电动工具、 电动汽车中的应用成为现实。正因为磷議铁锂林料 的突出的优点及良好的应用前景，近一两年内吸引 了国内外大的材料及锂离子电池厂家投资这一领 域，本文就近年来磷酸铁理材料及动力电池产业化状况做了简要的介绍°2磷酸铁锂材料国内外

7、产业化现状及 前景美国Valence公司2003年开始LiFePO4的产业 化，解决了其电池的倍率放电及低温性能等问题， 并和中国的部分锂离子电池厂家进行合作，并以 OEM方式生产410Ah的聚合物电池丫同吋*在 中国苏州拟建主产基地（威能和威泰）自己生产 聚合物电池口美国A】23r 口本的昭和电工、SONY、 三菱等也都有商品化的材斜面市。国内电池材料厂 家近年来也加快了磷酸扶锂材料产业化的步伐，目 前国内能站批就供应磷酸铁锂材料的厂家主要有天 津斯特兰.湖南瑞翔*北大先行、恒正纳米科以及 台湾长远锂科等，以上这些材料厂家在材料的性能 上面各有特点，表1给出了国内外主要厂家磷酸铁 锂电池材料

8、的性能指标口表1国内外主要厂家磷酸铁锂电池材料性能2.1产品振实密度及大电流放电性能目前磷酸铁锂材料在性能上主要存在两个较 大的问题，第 是其振实密度偏低从而导致磷酸 铁锂电池体积比容最较传统的LiCoCh材料低，0 前商品化的磷酸铁锂材料的掘实密嗖-般在1.0- L5g/em3 t.要原应是由干材料本身的密度较低同 时为提高其导电性能抑入密度较低的碳材料，进一 步降低了其振实密度，研究表明未掺杂碳材料的磷 酸铁锂材料振实密度可以达到2.0g/cm3以上，达到 猛酸锂的水平但其比容最仅対20-50mAh/gT基本 没有实用价值°磷酸铁锂材料的这一缺点导致其在 小型电池领域以及对体积能

9、戢密度要求较高的领域 无法和传统的材料竞争怛在要求大容量、高安金 性的动力电池领域如*电动车、储能裝置领域具有 很强的竞争力，磷酸铁锂的第二大缺点在于其导电 性差导致其大电流放电性能不如传统的钻酸锂及 链酸锂，但通过掺杂，改变产品颗粒的形貌，大电 流放电性能已经有了很大的改进，目前已经出现了 可以30C放电的周品化的磷战铁锂电池*258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期厂家顼目、美国 valence天津斯特兰湖南瑞翔快远

10、锂科昭和电工平均粒径 伽）242-4242-42-4比容量>130典型值:>门0典型值>130典型值A110典型值a120典型值(WhAg)135140135120125振实密度g/n?L51.1L.2J.31.5比表面积（m2/g）12<15<158ID2000次循坏后 容量衰减率（）<10<20<15<15<10产量（吨/年）>300200300500不详258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007-7/8船电技术20"年 第4期虽然目前磷酸铁锂材料在容战上已经和其它 财料（如 LiCoO2.

11、 LiNiOz，LiMniOj及以上三种 材料的衍生物）相当，而且在安全性能和繙坏性能 上具有明显的忧势但是目前磷酸铁锂离大规模的 应用还有一段距离*目前主要存在以下几个问题：2.2产品的价格由于商品化的磷酸铁锂材料的出现只是在绘 近一两年才出现，大多数厂家的材料都处于推广阶 段，由于前期研发及设备的投入较高*同时产量及 规模较小，导致其单位成本较高：另外锂价上涨， 258| 维普资讯 h ttp:/Vol.27 No.4 2007.7/8船电技术2007年第4期目前LijCOs和LiOH等价格均在65 71/吨左右，而 2005年价格为3万多，2006年初为4万左右.生产 企业采用LiH2P

12、O4（磷战二氢锂）作为锂源”解决了环 境污染问题，但原材料成本提閒，同时目前这个材 料应用主要是进口，正极材料能提供更好的安全性 棚稳定性，桝格因素不太敏感，这些都导致磷酸铁 锂的价格较高：日前*磷酸铁锂材料的拚格在16 万30万/吨之间，与钻酸锂（如万/吨）及三元材 料（25万/吨）相比有-淀的优翰 但与动力电池 的另一种材料尖晶石铉較锂（7万廊相出并没有 明显的优势。但随着生产工艺的改进以及生产规模 的扩大，以及采用廉价的铁源，英价格会降到目前 铉嚴锂的水平*国内各主要材料厂都在扩大产能来 满足迅速坤长的市场需求，相信在未来23年的时 间内这一目标就会实现。23产品的稳定性能产品的稳定性能

13、主要来自材料的制备工艺及 生产设备两个方面，国内的材料生产设备主要采用 非连续的烧结炉，单炉的产址在！00公斤左右，9 前国内外己绘能实现量产的合成方法均是面温固相 法，高温固相法又分橫统方法以天津斯特兰、湖 南瑞翔、北大先行等沟代表）棚改进方法以美国 威能、苏州恒正为代表，也称碳热法）两种。无论 采用何种方法，磷醴铁锂的生产工艺都比传统的钻 酸锂复杂，对工艺过程控制非常敏感，因而导致产 品批次之间的稳定性餃差，这对F成组的动力电池 而言是一卒致命的缺陷*国内已有设备厂家正在开 发:磷酸铁锂连续烧结炉，-旦设备问題得到解抉， 材料的梯定性褂会得到很大的改善.24市场接受程度磷酸铁锂材料出现时间

14、较短，多数电池厂家都 处于测试评价阶段，另外由于产品的穗定性还没有 解决，导致电池的性能无法樹到保证，-些电池厂 家处于观望阶段，并没有大规模的生产，同时市场 对于磷酸铁锂电池本身也有一个撲受时间，只有经 过实际检验的电池才会被市场接受.这也导致磷酸 铁锂材料冃前的市场规模比预期的小。但随着市场 的成熟，预计在2年后，磷酸铁锂的市场规模将 达到10, 000吨f年口£5专利的限制铅酸鎳镉链酸鏗磷酸铁锂工作电压V）2VI.2V1.2V3.7V3.3V循环寿命20070050050010003005002000重量比能（Whflcg）3050706090 i20120记忆效应无无有无无是

15、杏坏保否是否是是特性L. 1.技术最成熟. 但能量密疫 低，春甜短， 性价比不理 想。2铅为有害 物质*1.工作电压低* 需较多串并， 稳定性差.2. 自放电率高。.工作电压低. 需较多串并， 稳定性差。2. 有记忆效应。工镉为有害物 质°高溫特性差， 溫度达8UU 時，容量下降 -半，丸无法 恢気L高溫特安 全性高，无爆炸之 虞 2,铁为全球第 二大蕴藏量的金 属元素，电池成本 有极大下降空间 生使用寿命长表2几种不同类型动力电池的性能比较磷酸铁锂材料的专利大都被国外的几家公司， 如q Valence. AI23申请"国内的材料厂家很难摆 脱国外专利的限制卩这就导致国内的

16、材料以及电池 的出口受到极大的限制，目前磷酸铁锂电池的出口 主要来自国外厂家在国内的贴牌主产，因此国内的 磷酸铁锂材料及动力电池要取得大的发展，还必须 在基础研究及知识产杈方面进行更大的找入.3磷酸铁锂电池产业化现状及前景由于磷嚴铁锂电池在很大程度上解决了锂离 子动力电池的安全性问题，同时循环寿命达到2000 次以上，随看成本的进一步降低，其性价比将超过 铅酸电池，因而成为未来动力电池的强有力的竞争 者，表2给岀了几种不同类型的动力电池的性能比 较*由于磷酸铁锂电池的突出优点，使得其在众多 的领域有着广泛的应用前景这些领域包括：（1）储能设鶴太阳能、风力发电系统之储能设备比亚迪已 经在生产此类

17、电池）、不间断电源UPS:<2）电动工具类高功率电动工具 <无线）.电钻、除草机等： <3）轻型电动车辆电动机车，电动自行车.休闲车，高尔夫球 车”电动推高机清洁车混合动力汽车（HEV） v电动游船：<4）小型设备医疗设备：电动轮椅车.电动代步车，玩 具（遥控电动飞机、车、船）；（5）其它小型电器矿灯、替代铅酸、靈氢、银镉、锂钻、锂猛 类电池在小型电器上的应用。目前市场上磷酸铁锂动力电池处于供不应求 的状态，因此国内外均投入大量的人力物力进行开 发.国内方面，山东海霸通讯设鶴有限公司投资3 亿人民币，新建厂房占地350' W.拟建成国内最大 的磷酸铁理动力电池生

18、产基地°万向集团也开发了 磷酸铁锂聚伶物动力电池，并在其电动汽车、电动 自行车以及小型电动工具上得到应用口另外.深圳 市比亚迪电池股份有限公司正致力于研究电动汽 车，目前该公司大批量采购国内生产的磷酸铁锂 用于生产电动汽车以及储能系统的动力电池，同时 该公司己经先购入三条不同的烧结设备准备进行材 料生产。此外 ATL广东新能源、天津力神、河南 环宇集团和青岛澳柯玛都希望能寻找到供应磷酸铁 锂材料的国内生产厂家进行动力电池开发。还有一 空澤侦子电池生产厂家都已经对磷酸铁锂系列的电 池进行了较长的研究”已经获得了使用经验”市场 己经逐渐成斟°欧饕、台湾、日本方面对磷酸铁锂 材料也有很大的需求倉，in Valence公司在聚合物 电池领域在全球处于领先地位，但城近太力开发磷 酸帙里系列电池，在国内已经建立了两家独资企业威能、威泰，同时还在国内各大电池进疔贴牌 生产，所生产的动力电池全部外销。许冬电池材料 厂家如：台湾长圆对使用其材料生产的动力电池全 部包销。虽然磷酸饋锂具有广阔的市场前景，但还需要 解决以下问题才能