相比電池橫跨數百年的歷史，磷酸鐵鋰配方的歷史只能算“近期”發生的事。
我們今天能用著刷著智慧手機、聽著真無線耳機、吃著電動車送來的外賣宅家度日，還得感謝三位2019年諾貝爾化學獎得主——邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（Michael Stanley Whittingham）、約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）、吉野彰（Akira Yoshino）。
其中要說明的是，LiFePO4是LiMPO4（含鋰磷酸鹽）的其中一種，其中M可以是Fe、Co、Mn、Ti，LFP則是的LiFePO4簡寫。
目前LFP材質有較差的導電性和較低的鋰離子擴散係數，因此學界一直在利用各自辦法攻克這些難題，包括使用奈米級材料或者引入新型導電劑來提升導電效能，提升可逆電容量等等。
LFP材質目前最大的優勢在於不使用鈷，是一種真正的“無鈷”鋰離子電池（廢話，同理荷蘭豆也是一款無葷的純正素菜）。由於鈷的產能集中在非洲，價格受國際局勢影響的波動非常大，之前一下子漲到了60萬/噸。
問題是，LFP材質與生俱來的優劣勢也太過明顯了，消費者們應該也很清楚市面上最長續航的純電動乘用車一定不是LFP而是NCM，而臭名昭著的自燃之王高鎳NCM在安全性上面根本不是LFP的對手。
磷酸鐵鋰LFP與三元鋰NCM的路線之爭，將在接下來很長一段時間愈演愈烈。
知己知彼百戰百勝，我們接下來就深入瞭解一下LFP材質的優劣勢。
磷酸鐵鋰配方的特性
此前筆者寫過一篇《電池分類與命名大全》，作為《電池研究院》欄目的知識目錄，其中提到過磷酸鐵鋰配方的一些簡述，今天來聊聊技術細節。
1
電壓
以NCM三元鋰為例，一般鋰離子動力電池的標稱電壓在3.7V左右，工作電壓範圍寬達3.0-4.2V，所以BMS會比較好操作，SOC監控相對精準。
換成磷酸鐵鋰配方之後，標稱電壓降低至3.2V，工作電壓範圍在3.0-3.3V之間，充電的終止電壓只有3.6V左右。
這就意味著，磷酸鐵鋰電池的電壓比其他鋰離子電池要低，而且工作電壓範圍比較窄，充放電曲線非常平緩，SOC監測準確度很低，電壓一直都在3.2V左右所以很難監測出此時究竟是多高的SOC。
目前學界已有一些解決方案來應對磷酸鐵鋰電池充放電曲線過於平緩而導致SOC不準的問題，比如重慶郵電大學的學者就提出了基於遺傳演算法的徑向基函式神經網路來預測磷酸鐵鋰電池SOC，這種方法具備更強的適應能力，因此結果更加精準和穩定。
2
充放電率
在此前技術受限的情況下，磷酸鐵鋰配方的最佳充電率在0.5C-1.5C之間，屬於比較低的充電速度。
寧德時代在2019年宣稱，正在研發一種新的磷酸鐵鋰電池技術，在負極石墨的表面利用“快離子環”技術讓石墨結構兼具超級快充和高能量密度的特性，石墨層增加鋰離子嵌入速度後可以達到4C-5C的超級快充能力，相當於15分鐘完成主要的充電過程。不過，現在這種技術尚未量產，當前市面上的磷酸鐵鋰電池拼快充效能的確不如三元鋰。
下圖資料可見，實線0.5C放電，若使用最下方虛線的3C放電倍率，放電容量下降幅度只有5%左右，表明磷酸鐵鋰電池在高倍率下依然可以有不錯的放電效能，造高效能電動車沒問題。
3
能量密度
能量密度一直都是磷酸鐵鋰配方電池的大軟肋，在大型公交車上廣泛運用的原因便是因為商用車不缺佈局空間，能容得下體型、重量都頗為“雄偉”的磷酸鐵鋰電池。
在5年前左右，磷酸鐵鋰電池的單體能量密度只有150Wh/kg左右，成組之後的整包能量密度只有100Wh/kg左右（200Wh/L左右的體積比能量）。
業界一直宣稱磷酸鐵鋰配方電池的理論最高能量密度只有175Wh/kg，這是整包的資料，包含BMS和模組結構的重量。
最近兩年，因為比亞迪帶頭重新颳起了磷酸鐵鋰配方熱潮，各大主要的動力電池企業都在刷“捷報”，也就是根本沒有量產化但對股民“很有幫助”的振奮訊息，其中國軒高科在2020年初宣稱研發出整包能量密度高達160Wh/kg的磷酸鐵鋰配方電池包（單體超200Wh/kg），寧德時代的是161.29Wh/kg，四川綠鑫只有147.25Wh/kg，億緯鋰能、億鵬能源、安馳新能源三家的整包能量密度都在150Wh/kg左右。
寧德時代表示，透過對磷酸鐵鋰材料體系效能的深度挖掘，未來可能將單體的能量密度提升至230Wh/kg。只不過，當前寧德時代提供給特斯拉Model 3（標準續航升級版）的磷酸鐵鋰電池，整包能量密度還只有125Wh/kg，續航為468km，這個倒不低，電耗只有12.6kWh/100km。
此外，磷酸鐵鋰電池在能量密度上的提升，還可以在剩下的一年半國家新能源補貼期內獲得最後一批補貼。
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迴圈壽命
在技術不成熟的年代，磷酸鐵鋰電池的迴圈壽命只有500次左右，大電流充放電（1C充/5C放）的迴圈壽命為300次左右。
在7年前，有幾家汽車媒體曾經給一臺跑了50萬公里的比亞迪e6深圳計程車（標稱續航300km）做過續航測試，測出來的實際續航里程還是挺硬核的。
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低溫效能
磷酸鐵鋰的另一個重要的特徵便是低溫效能不佳，非常的不佳，北方車主叫苦不迭。
磷酸鐵鋰電池的工作溫度範圍為-20℃至75℃，有些磷酸鐵鋰電動汽車一旦到達0℃以下的環境溫度就有啟動困難的風險，若在-20℃的外部溫度下，磷酸鐵鋰電池的放電容量只相當於25℃時的38%左右，我就問你還敢不敢開暖氣……
磷酸鐵鋰電池正極的導電性本身就不佳，在低溫環境下更是容易發生極化，電解液粘度增加並增加鋰離子的遷移阻抗，導致電池內部結構的崩塌，電池損壞。
因為磷酸鐵鋰天生的低溫效能不佳問題，中國甚至出現了“北三元 南鐵鋰”的產業佈局，當然另一個重要的方面是南派比亞迪與北派松下LG的產業話語權之爭、
之前磷酸鐵鋰版本的特斯拉Model 3在北方就遇到了靜置後掉電嚴重的問題，解決方案是特斯拉建議使用者一週充滿一次，幫助特斯拉磷酸鐵鋰電池BMS系統積累北方地區的使用者資料，更高的資料量可以帶來更精準的SOC監測能力。等等，這玩意沒標定完成就上市瞭然後等使用者資料OTA完善？
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安全特性
之前有自媒體做過一個傳播度很廣的穿刺試驗，軟性給比亞迪磷酸鐵鋰電池打安全性廣告，把寧德時代逼得出來說胡話（哎呀其實穿刺沒代表性啊）。
穿刺的機理是內部短路，這種情形就像潛水艇在水下被物理擊穿，除了全員殉國之外就沒啥其他可能性了。
自2021年1月1日實施的動力電池安全新國標GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，並未引入穿刺試驗，現有的試驗則分為幾類，其中電池單體進行過放電、過充電、外部短路、加熱、溫度迴圈、擠壓試驗，電池包或系統進行振動、模擬碰撞、擠壓、溼熱迴圈、浸水、熱穩定性、溫度衝擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流保護、外部短路保護、過充電保護過放電保護試驗。
雖然沒有強制要求穿刺試驗，但在同一份國標當中有幾份補充條款，其中包括“要求電池單體發生熱失控之後，電池系統5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間”，條款實施時間同樣是2021年1月1日。
整體而言，LiFePO4不容易分解，P-O鍵很穩固，不容易析氧，分解溫度高達600℃，而三元鋰電池在200℃就會分解，所以磷酸鐵鋰是安全效能非常高的一種配方，即使燒起來了，火燒連營的蔓延速度比三元鋰慢很多，逃生時間大大增加。
此外，雖然磷酸鐵鋰電池過充還是會熱失控，但熱失控的閾值比其他鋰離子電池要高很多，而在0電壓的極限狀態下儲存30天不會有過度損傷，三元鋰動力電池在0電壓下長期儲存會有洩露風險與內部化學物質損壞風險。
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記憶效應
電池記憶效應，指的因電池不完全放電而導致容量降低的現象。業界普遍認為磷酸鐵鋰配方電池沒有記憶效應，但近年有部分研究團體認為磷酸鐵鋰同樣有一定記憶效應，只是並不明顯。
不過因為工作電壓範圍過小的問題，廠家一般都會把磷酸鐵鋰的可用容量範圍標定得窄一點，也不建議使用者經常過充過放，雖然磷酸鐵鋰電池的過放耐受能力明顯強於三元鋰。
這就意味著，有無記憶效應對於磷酸鐵鋰而言，沒什麼影響。
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製造成本
因為正極材料不含高價的鈷Co，不需要承受國際貿易風險，所以磷酸鐵鋰電池的整體成本比三元鋰電池低了一截，安全效能極佳的特性也讓電控難度降低了。
不過由於磷酸鐵鋰工藝不穩定，成品率較低，單體電池一致性差，所以早起來是挺有門檻的。
目前國內磷酸鐵鋰電池的主要生產商家有比亞迪、寧德時代、國軒高科、江蘇時代、弗迪、瑞普、比克、力神、萬向等等。
拿一份2020年12月的採購資料來對比展示，NCM811三元鋰電池的整包採購均價在985元/kWh，而LFP磷酸鐵鋰電池的整包採購均價在0.795元/kWh，因此使用磷酸鐵鋰電池大約可以節省19%左右的成本。
不過由於磷酸鐵鋰電池裡頭沒什麼貴重金屬可回收，所以回收價格有點不堪入目……
磷酸鐵鋰電池的應用場景
綜上所述，磷酸鐵鋰電池的核心優勢是價格低廉、安全效能好、迴圈壽命長，劣勢在於低溫效能差、能量密度低。
基於以上優劣勢，磷酸鐵鋰電池主要應用在以下場景當中：
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純電動乘用車的高壓電池包實際上是很難佈局的，大家都以為“放在車底”便是解決方案，問題是大家發現早期的土法油改電坐起來都很難受了對吧？
因為老款的高壓電池包往往有200mm甚至更高的厚度，會嚴重侵佔車內空間，把前後兩排座椅的高度大大提升了，乘客坐姿又直又頂頭，車底還有電池包下緣的凸起，碰上尖銳的石頭之後有一定機率被開膛，接下來就是熱失控自燃。
磷酸鐵鋰電池最大的問題是能量密度不高，所以體積和重量都是潛在的問題。在此前的土法油改電時代，過高的電池包整包高度會讓車輛舒適性與安全性大打折扣，如今的定製化時代，磷酸鐵鋰電池的整包厚度大大壓縮了，我們坐進去漢EV車內就會發現，其實空間舒適性跟同等級汽油車基本沒區別了。
插電式混合動力乘用車
在2016年之前，中國國內生產的插電式混合動力車型，高壓動力電池以磷酸鐵鋰為主，比例高達7成，隨後這個高比例不斷下滑，被能量密度高得多的三元鋰搶佔了市場份額。
因為插電式混合動力乘用車動力電池包的“工作壓力”遠沒有純電動車的高，不用總是過充過放，動力輸出也主要依靠內燃機，而磷酸鐵鋰電池的能量密度近年提升迅速，在空間極為緊迫的插混車上也能擠得進去，考慮到價格便宜和安全口碑好，不斷提升裝備率是必然事件了。
公交車、輕型客車/貨車、礦車等純電動商用車輛，對動力電池包的體積和重量並不敏感，對動力電池包的價格、迴圈壽命、每公里能耗成本更為敏感，因此磷酸鐵鋰是比三元鋰更加合適的選擇，市場佔比在60%左右。
最出名的磷酸鐵鋰電池商用車產品要數比亞迪生產的K9電動大巴，已經出口到了59個國家，快充3小時可以續航250公里，迴圈壽命長達4000個迴圈。
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輕型電驅車型
在10年前左右，筆者還在讀書的年代，鉛酸電池一直都是兩輪電動車儲能裝置的霸主，後來鋰離子電池價格大降、效能激增，以小牛為代表的高階兩輪電動車產品開始推向市場，鋰離子電池成為主角。
隨後，外賣平臺與共享電單車平臺的興起，讓兩輪電動車的低壓動力電池市場得到了催化，而三元鋰電池的產業鏈最完整，因此推廣得最多。
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其他
除了作為車輛的動力電池之外，磷酸鐵鋰電池還有很多的用途，比如用作發電站的大容量儲能裝備。下圖的儲能電站是國家電網江蘇公司為了協調鎮江供電網路建設的磷酸鐵鋰儲能站（北山站）。其中北山站為10KV鋰電池儲能站，總投資約1.2億，鋰電池容量為16MW/32MWh，專案面積3813平米。（資料來源：中國儲能網）
如果你願意，把充電寶的聚合物鋰離子電芯換成磷酸鐵鋰電芯之後，的確可以更加安全，不過因為磷酸鐵鋰配方的工作電壓太低，所以極少廠家會選用。
除此之外，電鑽、電鋸、遙控車、遙控船等工具或玩具，都有使用磷酸鐵鋰電池的案例。
磷酸鐵鋰的未來在哪裡？
筆者第一次被磷酸鐵鋰電池的實戰能力深受感動到，是在4年前駕駛騰勢500車型從林芝跑高速到拉薩，全程410km，走林拉高速（而非318）。
本來主辦方弄了一個節電比賽，讓大家駕駛這臺NEDC“只有451km”的純電動車慢悠悠地從林芝散步到拉薩，結果筆者比較頭鐵，一路100km/h定速巡航跑掉了，留下他們70km/h慢慢挪。領航的油車一直在電臺喊我們回來，開這麼快到不了拉薩就要叫拖車的。
當然這是好事，起碼磷酸鐵鋰在市場上的形象不再代表著低端與廉價，而是代表著可靠與實惠。
隨著磷酸鐵鋰電池能量密度的困局逐漸解決，磷酸鐵鋰動力電池的出貨量得到了大幅度提升。
磷酸鐵鋰的迴歸，會對電池產業產生哪些影響？
（文：太平洋汽車網 黃恆樂）
