磷酸鋰鐵電池(LFP)的特性與產業應用

作者:知識力   |   2019 / 02 / 13

文章來源:知識力   |   圖片來源:Annie


電動汽車的發展困境

2008 年開始全球原油價格高漲,再加上溫室效應嚴重,世界各國才發始警覺,汽車的引擎實在是個大污染源,有人開始發展使用電池動力的電動車,但是早期因為沒有合適的二次電池,所以一直很難讓消費者接受,在這裡我們先整理一下早期電池技術的困難:

➤鉛蓄電池的價格最低,但是體積能量密度(每公升可以儲存多少能量)太低,續航力不足,必須用很大的電池才能儲存足夠的電能,因此實用性不高。

➤鎳氫電池的能量密度比較高,但是仍然不夠高,而且陰極使用的儲氫合金多為貴重金屬價格也高,雖然可以應用在汽車,但是仍然困難重重,例如:全球第一台成功上市使用新電池的汽車,應該算是豐田(Toyota, 7203-JP)汽車公司生產的 Prius,這是結合汽油引擎與鎳氫電池的複合動力(Hybrid engine)車,但是仍然由於大容量的鎳氫電池售價太高,造成銷售量受到限制。

➤鋰離子電池或聚合物鋰電池是目前能量密度最高的電池,但是價格太高,比較適合應用在小型電子產品,應用在大容量的電池上仍然有所限制,例如:全球第一台成功上市使用鋰電池的電動車,應該算是 TESLA (TSLA-US)公司生產的 Model S,但是仍然由於大容量的鋰電池售價太高,造成銷售量受到限制。

陰極材料(正極材料)

傳統的鋰離子電池所使用的陰極材料鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)成本較高,這些陰極材料的金屬元素中,鈷價格最高,而且地球儲存量不多,鎳、錳比較便宜,但是仍然不夠便宜。而鐵(Fe)是最便宜的材料,因此 1996 年開始,日本的 NTT 公司首次發表使用鋰鐵鈷氧化物(LiFeCoPO4)做為陰極材料。

1997 年美國德州大學 Goodenough 等人首次發表使用鋰鐵氧化物(LiFePO4)做為陰極材料,稱為「磷酸鋰鐵電池(LFP:Lithium Ferrous Phosphate)」,由於完全不使用鈷,不但解決鈷在地球儲存量不多的問題,也可以降低價格,而且鐵對環境的污染也最低,因此愈來愈多廠商看好磷酸鋰鐵電池在汽車上的應用。

磷酸鋰鐵電池的原理

➤放電:陽極材料(鋰離子嵌入石墨)放出電子與鋰離子(Li+),電子流入元件可以推動元件工作,鋰離子則經由高分子聚合物薄膜到達陰極材料(磷酸鋰鐵),如<圖一(a)>所示,最後鋰離子與電子在陰極結合。

➤充電:外加電壓使陰極材料(磷酸鋰鐵)放出鋰離子(Li+),鋰離子經由高分子聚合物薄膜回到陽極材料(鋰離子嵌入石墨),恢復原來的狀態,如<圖一(b)>所示。因為放電和充電時造成鋰離子來回移動,所以這種電池為「鋰離子電池」。

圖圖一、磷酸鋰鐵電池的原理。

磷酸鋰鐵電池的特性

➤可以輸出高電壓高電流:磷酸鋰鐵電池的標準放電率為 2~5C,連續高電流放電率可達 10C,瞬間脈衝放電率可達 20C,換句話說,磷酸鋰鐵電池可以大電流放電。

➤工作溫度範圍大:當外部工作環境溫度為 65 度 C 時,電池內部溫度高達 95 度 C,電池放電結束後溫度高達 160 度 C,但是仍然可以保持電池的結構安全。

➤使用安全性高:當電池內部或外部破裂,仍然不燃燒、不爆炸,也不會因為過度充電或放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸,這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤過度充放電也不會損壞:過度充電或放電仍然保持不洩漏、不損壞,這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤使用壽命長:經過充放電 500 次以後,電池容量仍然大於 95% 以上。

➤可以快速充放電:能夠大電流快速充放電,電化學穩定性高。

➤材料成本低:鐵(Fe)是便宜的材料,所以磷酸鋰鐵電池的材料成本低。

➤環境污染輕微:鐵對環境的污染輕微。

➤能量密度有待提升:磷酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60~70% 左右,能量密度有待提升,不過比起鎳氫電池能量密度仍然提升了 70% 以上,讓應用的範圍更廣。

磷酸鋰鐵電池的應用

由於磷酸鋰鐵電池具有上述優點,酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60~70% 左右,不適合應用在重視體積小的電子產品,而適合廣泛地應用在其他產品,包括:

➤大型電動車輛:公車、電動汽車、遊覽車、複合動力(HSD)車等。

➤輕型電動車:電動自行車、高爾夫球車、小型電動滑板車、堆高機、清潔車、電動輪椅等。

➤電動工具:電鑽、電鋸、割草機等。

➤遙控玩具:汽車、船、飛機等遙控玩具。

➤能量儲存設備:太陽能及風力發電的能量儲存設備。

➤緊急電力系統:不斷電系統(UPS)、緊急照明燈、礦燈(磷酸鋰鐵電池不燃燒、不爆炸安全性最好)。

➤攜帶型設備:小型醫療儀器設備、攜帶型儀器。

磷酸鋰鐵電池的產業現況

磷酸鋰鐵電池最上游的化合物專利由三家專業材料公司掌握,包括:A123(已破產)公司的 Li1-xMFePO4、Phostech 公司的 LiMPO4、立凱(5227-TW)公司的 LiFePO4-MO,同時也已經發展出十分成熟的量產技術。這些上游材料的突破與發展,帶動了鋰電池與油電混合車產業的成長。

由於磷酸鋰鐵電池和一般鋰離子電池比較起來,完全沒有過熱或爆炸等安全性顧慮,充放電次數是大約 4~5 倍,放電率大約 8~10 倍(可瞬間產生大電流),包括:通用汽車(General Motors, GM-US)、福特(FORD, F-US)汽車、豐田汽車等業者都高度重視磷酸鋰鐵電池的發展。

A123 公司甚至獲得了美國政府數千萬美元的補助,希望扶植美國的鋰電池業者,利用油電混合車的發展擊敗遙遙領先的日本汽車業者。

美國汽車產業預估 2010 年全美的油電混合車將超過 400 萬輛,美國通用汽車在 2007 年公開展示插電式油電混合動力車(PHEV:Plug-in Hybrid Electric Vehicle)的概念車「Chevrolet Volt Concept」,只要接上一般家用電源就可以為磷酸鋰鐵電池充電。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

【延伸閱讀】

喜歡這篇文章?加入你的S夾!

分享好文章

loading animation
知識力
加入知識力 — 讓你的知識變力量,由區塊鏈與人工智慧架構而成的未來專業社群,讓專家在客觀公正的開放平台上,建立自己的專業度與信任度,讓全世界看到你的專業能力,讓會員不必再到處推文求貴人,各種背景的專家線上讓你選擇,互助合作共同開創事業的高峰。