リン酸鉄リチウム電池
リン酸鉄リチウム電池
LiFePO4_AA
リン酸鉄リチウム（LiFePO 4）14500バッテリー（右）とバッテリープレースホルダー（左）の横に表示
比エネルギー90～160  Wh/kg (320～580  J / g または kJ/kg) [ 1 ] 次世代: 180～205 Wh/kg [ 2 ]
エネルギー密度325 Wh/ L (1200 kJ/L) [ 1 ]
比出力約200  W /kg [ 3 ]
エネルギー/消費者物価1～4Wh/米ドル[ 4 ] [ 5 ]
時間耐久性10年以上
サイクル耐久性2,500～9,000 [ 6 ] サイクル
公称セル電圧3.2V ​

リン酸鉄リチウム電池（LiFePO4電池）またはLFP電池（リン酸鉄リチウム）は、リン 酸鉄リチウム（LiFePO4LFP型電池は、正極材としてコバルト（Co）を、負極材として金属裏打ちのグラファイトカーボン電極を使用している。低コスト、高安全性、低毒性、長サイクル寿命などの特長から、LFP電池は車両用途、実用規模の定置用途、バックアップ電源など、様々な用途で利用されている。[ 7 ] LFP電池はコバルトフリーである。[ 8 ] 2022年9月時点で、EV向けLFP型電池の市場シェアは31％に達し、そのうち68％はEVメーカーのテスラとBYDによるものであった。[ 9 ]

2022年には、中国メーカーがLFP型バッテリーの生産をほぼ独占していました。[ 10 ] 2022年には特許の期限切れが始まり、より安価なEV用バッテリーの需要が高まることから、[ 11 ] LFP型の生産はさらに増加し​​、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）型バッテリーを上回ると予想されています。[ 12 ]

LFPバッテリーの比エネルギーは、ニッケルマンガンコバルト（NMC）やニッケルコバルトアルミニウム（NCA）などの他の一般的なリチウムイオンバッテリーよりも低い。2024年現在、CATLのLFPバッテリーの比エネルギーは、セルレベルで205ワット時/キログラム（Wh/kg）とされている。 [ 13 ] BYDのLFPバッテリーの比エネルギーは150Wh/kgである。最高のNMCバッテリーは、300Wh/kgを超える比エネルギー値を示す。特に、テスラの2020年モデル3中型セダンに使用されているパナソニックの「2170」NCAバッテリーの比エネルギーは約260Wh/kgで、これは「純粋な化学物質」値の70%である。LFPバッテリーはまた、他のリチウムイオンバッテリータイプよりも 動作電圧が低い。

仕様

複数のリン酸鉄リチウムモジュールを直列および並列に接続して、2800Ah 52Vのバッテリーモジュールを構成しています。バッテリーの総容量は145.6kWhです。モジュールを接続する大型の錫メッキ銅バスバーにご注目ください。このバスバーは、この48V DCシステムで発生する高電流に対応するため、700A DCの定格となっています。
リン酸鉄リチウム モジュール、各 700 Ah、3.25 V。2 つのモジュールを並列に配線して、容量 4.55 kWh の単一の 3.25 V 1400 Ah バッテリー パックを作成します。

他の種類の電池との比較

LFPバッテリーはリチウムイオン由来の化学組成を採用しており、他のリチウムイオン化学組成のバッテリーと多くの長所と短所を共有しています。しかし、大きな違いもあります。

リソースの可用性

鉄とリン酸塩は地殻中に非常に多く存在します。LFPにはニッケル[ 20 ]もコバルトも含まれておらず、どちらも供給が限られており高価です。リチウムと同様に、コバルトの使用に関しては人権[ 21 ]と環境[ 22 ]への懸念が提起されています。また、ニッケルの採掘に関しても環境への懸念が提起されています。[ 23 ]

料金

米国エネルギー省が2020年に発表した報告書では、LFPとNMCを用いて構築された大規模エネルギー貯蔵システムのコストを比較しました。この報告書によると、LFPバッテリーのkWhあたりの価格はNMCバッテリーよりも約6%低く、LFPセルの寿命は約67%長くなる（つまり、サイクル数が増える）と予測されています。セルの特性の違いにより、貯蔵システムの他のコンポーネントのコストはLFPの方が多少高くなりますが、全体としてはkWhあたりのコストはNMCよりも低くなります。[ 24 ]

2020年に報告されたLFPセルの最低価格は80ドル/kWh（12.5Wh/ドル）で、平均価格は137ドル/kWhでしたが[ 25 ] 、 2023年には平均価格が100ドル/kWhまで下がりました。[ 26 ] 2024年初頭までに、VDAサイズのLFPセルは0.5人民元/Wh（70ドル/kWh）未満で入手可能になりましたが、中国の自動車メーカーLeapmotorは、LFPセルを0.4人民元/Wh（56ドル/kWh）で購入しており、0.32人民元/Wh（44ドル/kWh）まで下がる可能性があると考えています。[ 27 ] 2024年半ばまでに、組み立てられたLFPバッテリーは米国の消費者が約115ドル/kWhで入手できるようになりました。[ 28 ]

優れた経年変化とサイクル寿命特性

LFP化学構造は、他のリチウムイオン電池に比べて大幅に長いサイクル寿命を提供します。ほとんどの条件下では3,000サイクル以上、最適な条件下では10,000サイクル以上をサポートします。NMCバッテリーは、条件によって異なりますが、約1,000～2,300サイクルをサポートします。[ 6 ]

LFPセルは、コバルト（ LiCoO）などのリチウムイオン電池の化学的性質よりも容量損失が遅く（カレンダー寿命が長い）、2）、マンガンスピネル（LiMn2お4）、リチウムイオンポリマー電池（LiPo電池）、またはリチウムイオン電池である。[ 29 ]

鉛蓄電池の代替品として実用化

公称出力は 3.2 V なので、4 つのセルを直列に接続して公称 12.8 V にすることができます。これは、6 セルの鉛蓄電池の公称電圧に近い値です。LFP バッテリーの優れた安全特性と相まって、自動車や太陽光発電などの用途において、LFP は鉛蓄電池の優れた代替品となる可能性があります。ただし、充電システムが、過充電電圧 (充電中にセルあたり 3.6 ボルト DC を超える)、温度ベースの電圧補償、均等化の試み、または連続トリクル充電によって LFP セルが損傷しないように適合されている必要があります。LFP セルは、パックを組み立てる前に、少なくとも最初にバランス調整を行う必要があります。また、セルが 2.5 V 未満の電圧で放電されないように保護システムを実装する必要があります。そうしないと、ほとんどの場合、LiFePO 4から FePO 4への不可逆的な脱インターカレーションにより深刻な損傷が発生します。[ 30 ]

安全性

他のリチウムイオン電池に比べて重要な利点の1つは、熱的および化学的安定性であり、これによりバッテリーの安全性が向上します。[ 31 ] [ 32 ] [ 22 ] LiFePO4LiCoOよりも本質的に安全な正極材料である2二酸化マンガンスピネルは、コバルトを省略することで、熱暴走を助長する負の温度係数を持つコバルトを含有しない。(PO4）3−イオンは（ CoO​​2）−イオンであるため、誤用（短絡、過熱など）された場合、酸素原子の放出速度が遅くなります。この酸化還元エネルギーの安定化は、イオンの移動速度を速めます。[ 33 ]

LiCoOのカソードからリチウムが移動すると、2セル、CoO2非線形膨張を起こし、セルの構造的完全性に影響を与える。LiFePOの完全リチウム化状態と非リチウム化状態は、4構造的に類似しているため、LiFePO4セルはLiCoOよりも構造的に安定している2細胞。

完全に充電されたLFPセルのカソードにはリチウムは残っていない。LiCoO2セルの約50%が残っています。LiFePO4LiFePOは、他のリチウム電池では通常発熱反応を引き起こす酸素損失に対して非常に耐性があります。[ 34 ]その結果、LiFePO4セルは、取り扱いを誤った場合（特に充電中）でも発火しにくい。LiFePO4バッテリーは高温でも分解しません。 [ 22 ]

エネルギー密度が低い

2008年時点の新しいLFPバッテリーのエネルギー密度（エネルギー/体積）は、新しいLiCoOバッテリーのそれよりも約14％低かった。2バッテリー。[ 35 ]放電率はバッテリー容量の割合であるため、低電流バッテリーを使用する必要がある場合は、より大きなバッテリー（より多くのアンペア時間）を使用することで、より高い放電率を達成できます。

用途

自家製バッテリーパックのLFPセル

家庭用エネルギー貯蔵

Enphase は、コストと火災安全性の理由から、SunFusion Energy Systems LiFePO 4 Ultra-Safe ECHO 2.0 および Guardian E2.0 の家庭用または業務用エネルギー貯蔵バッテリーとともに LFP の先駆者となったが、市場は競合する化学物質間で分割されたままである。 [ 36 ]他のリチウム化学物質と比較してエネルギー密度が低いため質量と体積が増加しますが、どちらも静的アプリケーションではより許容される可能性があります。 2021 年には、SonnenBatterie やEnphaseなど、家庭用エンドユーザー市場に複数のサプライヤーがありました。 Tesla Motors は、 2023 年にTesla Powerwall 3がリリースされるまで、家庭用エネルギー貯蔵製品に NMC バッテリーを使用し続けました。 Tesla のユーティリティ スケールバッテリーは、2021 年にLFPを使用するように切り替えました。[ 37

車両

加速に必要な高い放電率、軽量、長寿命という特徴から、このタイプのバッテリーはフォークリフト、自転車、電気自動車に最適です。12ボルトのLiFePO4バッテリーは、キャラバン、キャンピングカー、ボートなどのセカンドバッテリー（家庭用バッテリー）としても人気が高まっています。[ 39 ]

テスラモーターズは、 2021年10月以降に製造されるすべての標準レンジモデル3とYにLFPバッテリーを使用しています[ 40 ]。ただし、2022年以降に製造される4680セルの標準レンジ車両にはNMC化学組成が使用されています[ 41 ]。

2022年9月現在、LFPバッテリーはEVバッテリー市場全体におけるシェアを31%にまで拡大しており、そのうち68%はテスラとBYDの2社によって採用されている。[ 42 ]

リン酸鉄リチウム電池は2021年に三元電池を公式に上回り、設置容量の52%を占めました。アナリストは、その市場シェアが2024年には60%を超えると予測しています。[ 43 ]

LFPバッテリーを搭載した最初の車両は、2014年のシボレー・スパークEVでした。このバッテリーはA123システムズ社が製造しました。2023年2月、フォードはミシガン州に35億ドルを投資し、一部の電気自動車向けに低コストバッテリーを生産する工場を建設すると発表しました。このプロジェクトはフォードの子会社が全額出資しますが、中国のバッテリーメーカーであるContemporary Amperex Technology Co., Limited（CATL）からライセンス供与された技術を使用します。[ 44 ]

太陽光発電照明システム

リン酸鉄リチウム（LiFePO 4）電池は、安定した動作電圧（約3.2V）と高い安全性で知られており、太陽光発電システムに広く使用されています。従来のニッケルカドミウム（NiCd）電池やニッケル水素（NiMH）電池と比較して、LiFePO 4電池はサイクル寿命が長く、熱安定性に優れているため、頻繁な充放電を必要とする太陽光発電用途に適しています。[ 45 ] [ 46 ]

さらに、LiFePO4電池は充電プロセス中の過充電に対する耐性が高く、複雑な充電制御回路を必要とせずに太陽光パネルに直接接続できます。そのため、ソーラーガーデンライト、街灯、その他の屋外照明システムに最適なエネルギー源となります。[ 47 ]

2013年までに、より高性能な太陽光充電式パッシブ赤外線モーションセンサー付きセキュリティランプが登場しました。[ 48 ]単3形LFP電池の容量はわずか600mAh（ランプの明るいLEDは60mAを消費する）であるため、ランプの点灯時間は最大10時間です。しかし、ランプの点灯がまれであれば、夜間のアイドル電流が1mA未満に抑えられるため、日照時間が短い場合でも十分な性能を発揮する可能性があります。[ 49 ]

その他の用途

一部の電子タバコでは、このタイプの電池が使用されています。その他の用途としては、船舶用電気システム[ 50 ]や推進装置、懐中電灯、ラジコン模型、携帯型モーター駆動機器、アマチュア無線機器、産業用センサーシステム[ 51 ]、非常灯[ 52 ]などがあります。

歴史

リン酸二水素リチウム4トリフィライトとして知られる天然鉱物です。アルムガム・マンティラムとジョン・B・グッドイナフは、リチウムイオン電池の正極材料としてポリアニオンクラスを初めて特定しました。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] LiFePO41996年にPadhiらによって、電池用のポリアニオンクラスに属する正極材料として特定された[ 56 ] [ 57 ] LiFePOからのリチウムの可逆抽出4FePOへのリチウムの挿入4が実証されました。低コスト、無毒性、鉄の天然豊富性、優れた熱安定性、安全性、電気化学的性能、そして比容量（170  mA·h / g、または610  C / g）により、市場で大きな支持を得ています。[ 58 ] [ 34 ]

商業化の最大の障害は、その本質的に低い電気伝導性でした。この問題は、粒子サイズを小さくし、LiFePOをコーティングすることで克服されました。4粒子をカーボンナノチューブなどの導電性材料でドーピングする[ 59 ] [ 60 ]か、その両方である。ミシェル・アルマンとハイドロ・ケベックおよびモントリオール大学の同僚は2015年にこのアプローチを開発した。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] MITのイェット・ミン・チアンのグループによる別のアプローチは、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウムなどの材料の陽イオンでLFPをドーピングすることであった[ 58 ]。

初期のリチウムイオン電池では石油コークス製の負極（放電時の陽極）が使用されていましたが、後期のタイプでは天然または合成グラファイトが使用されました。 [ 64 ]

参照

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