特斯拉最近透露其打算在其标准续航里程车辆中采用磷酸铁锂 (LFP) 电池。LFP 电池对锂离子电池有什么作用？

虽然磷酸铁锂 (LFP) 电池以前一直被搁置以支持锂离子电池，但电动汽车制造商的这种情况可能正在发生变化。特斯拉 2021 年第三季度报告宣布，该公司计划在其所有标准范围车辆中过渡到 LFP 电池 。

这一消息反映了磷酸铁锂电池在下一代电动汽车 (EV) 中越来越受欢迎的更大趋势。

LFP 电池使用磷酸铁锂 (LiFePO4) 作为阴极材料，同时使用石墨碳电极和金属背衬作为阳极。与许多正极材料不同，LFP 是由一种以上带负电的元素组成的聚阴离子化合物。与镍锰钴的二维板相比，它的原子排列成晶体结构，形成锂离子的 3D 网络。

LFP 电池的架构。图片由Rebel Batteries提供

LFP 电池的工作原理与其他锂离子 (Li-ion) 电池类似，在正极和负极之间移动以进行充电和放电。然而，与氧化钴或氧化锰相比，磷酸盐是一种无毒材料。更重要的是，LFP 电池能够在 2,000–3,000 次的更高充电周期内提供恒定电压。

LFP 电池不仅仅由连接的电池组成；它们包括一个系统，可确保电池保持在安全范围内。电池管理系统 (BMS) 在所有操作条件下保护、控制和监控电池，以确保安全并延长电池的使用寿命。

图表说明充电指标如何影响电池的使用寿命。图片来自 Illogicdictates 和Wikimedia Commons[CC BY-SA 4.0]

虽然磷酸铁锂电池比替代品更具耐受性，但它们仍然会受到充电过程中过压的影响，从而降低性能。阴极材料也会氧化并变得不太稳定。BMS 用于限制每个电池并确保电池本身保持在最大电压。

随着电极材料的分解，欠压是一个问题。如果任何电池电量降得太低，BMS 能够将电池从电路中断开。它还将作为过流条件的后备器，并在发生短路时关闭操作。

磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂 (LiCoO2) 的替代品，并且具有较低的工作电压。尽管存在这些挑战，但不可否认 LFP 电池在电动汽车中的优势。

LFP 以其低成本而闻名，据估计，它每公斤比富含镍的 NMC 低 70%。成本优势来自其化学成分。铁和磷在全球范围内大规模开采，并广泛用于许多行业。

2020年，LFP电池的最低报告电池价格首次达到100美元/千瓦时以下。LFP电池对环境的影响也较小；它们不含镍或钴，它们供应受限、价格昂贵且对环境的影响更大。

LFP 电池的生命周期比其他锂离子电池更长，因为电池的容量损失速度较慢。它们较低的工作电压也意味着电池不易发生影响容量的反应。

几个 LFP 电池串联和并联。图片来自 Yo-Co-Man 和Wikimedia Commons[CC BY-SA 4.0]

凭借一致的放电电压和较低的内阻，LFP 驱动的车辆可以更快地提供电力并实现更高的充电/放电效率。

LFP 具有热稳定性和化学稳定性，因此不太容易因误用或结构损坏而发生爆炸或火灾。在钴酸锂电池中，热失控可能是由于缺少具有负温度系数的钴而导致的。

据说 LFP 的热量是富镍 NMC 的六分之一。LFP电池中的Co-O键也更强，因此如果短路或过热，氧原子的释放速度会更慢。更重要的是，完全充电的电池中没有锂残留，与其他锂电池典型的放热反应相比，它们在氧气损失过程中具有很强的抵抗力。

虽然磷酸铁锂电池比替代品更便宜、更稳定，但阻碍大规模采用的一个关键因素是能量密度。LFP 电池的能量密度远低于替代品，在 15% 到 25% 之间。然而，随着更厚的电极（例如上海制造的 Model 3 中使用的电极），这种情况开始发生变化，提供359Wh/L 的能量密度。

由于 LFP 电池的生命周期长，在拥有大约一年后，它们实际上比具有相似重量的锂离子电池具有更大的容量。这意味着，随着时间的推移，这些电池的能量密度变得更具可比性。

大规模采用的另一个障碍是一系列 LFP 专利让中国主导了市场。随着这些专利到期，有人建议 LFP 生产将与车辆制造一起本地化。

福特、大众和特斯拉等主要汽车制造商正越来越多地利用该技术并替代镍或钴配方。特斯拉最近在其季度更新中的公告仅仅是个开始。特斯拉还对其4680 电池组进行了简要更新，该电池组将能够提供更大的能量密度和续航里程。也有人猜测特斯拉将采用“电池到电池组”结构来塞入更多电池并补偿较低的能量密度。

特斯拉最近表示，它将把 Model 3 EV 转换为 LFP 电池。图片由特斯拉提供

尽管是过时的技术，但 LFP 及其相关的电池成本降低可能是加速大规模 EV 采用的基础。到 2023 年，锂离子电池的价格预计将接近 100 美元/千瓦时。LFP 可能会让汽车制造商更加重视便利性或充电时间等因素， 而不仅仅是价格。