作者：Steven Keeping
磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池采用 LiFePO4 作為電池的陰極材料，并以采用金屬背襯的石墨碳作為陽極材料。這并不算一種新技術，德克薩斯大學的研究人員早在 1996 年就提出了這一概念。但是，電化學電池吸引了廣泛的關注，因為相對于鋰離子電池而言，它具備諸多優勢。這些優勢包括更低的成本、無毒、鐵的低獲取門檻以及出色的熱穩定性。相比之下，在鋰離子電池中使用的鎳和鈷很難獲得，而且價格昂貴，對環境的危害更大。
此外，LiFePO4 的充電循環壽命遠高于同等鋰離子電池。根據電池的使用方式，其壽命可達 1,000 至 10,000 次充電循環。另外，符合標準的 LiFePO4 電池能夠在至少 2000 次充電循環內，提供至少 80% 的放電容量（或稱為“放電深度”）。而典型鋰離子電池僅能在 300 至 500 次充電循環內保持同樣的放電容量。
LiFePO4 電池還具備其他一些特性，包括可耐受快速充電、低內阻能夠支持高放電電流，以及供電電壓非常穩定。而且，還可在高溫下很好地工作。
LiFePO4 電池的一個實例是 PSL-FP-IFP2770180EC，這是由 Power Sonic Corporation 提供的一款 3.2 V、25 Ah 電池（圖 1）。
圖 1：與同等鋰離子電池相比，LiFePO4 電池的價格更低，并且充電循環壽命更高。（圖片來源：Power Sonic Corporation）
但是，直到最近，LiFePO4 電池的一些缺陷仍使之一直無法成為主流。其中的關鍵缺陷是它的能量密度比鋰離子電池低 15% 至 25%，而且輸出電壓僅為 3.2 V，低于鋰離子電池的 3.7 V。另外，LiFePO4 電池的低溫性能不佳，與更穩定的鋰離子電池相比，通常需要更多保養和保護。
LiFePO4 能量密度的改進
最近 LiFePO4 電池能量密度的改進使其適用于更多的設備。雖然它們不太可能在手機或筆記本電腦等產品中取代鋰離子電池，但在空間更大、更注重低成本和易回收性的應用中，這種電池可能是不錯的選擇。實例包括電動自行車和某些型號的電動汽車 (EV)。例如，特斯拉在 2021 年底宣布將在該公司的入門級車輛中采用 LiFePO4 電池。該公司的電池提供大約 260 Wh/kg 的能量密度，與最好的鋰離子電池不相上下。
圖 2：特斯拉 Model 3 現在采用 LiFePO4 電池。（圖片來源：特斯拉）
在低成本、長壽命、優良電氣特性比高能量密度更為重要的應用中，設計人員越來越多地考慮采用 LiFePO4 電池。實例包括無線電控制設備和便攜式電機驅動產品，尤其是工業物聯網 (IIoT) 傳感器。
由于只有一群特定的工程師在參與像電動汽車這樣的特別產品的設計，因此您更可能在這些不太多的應用中找到 LiFePO4 電源。
謹慎選擇
鋰離子和 LiFePO4 有一些相似之處。例如，它們的能量都來自于鋰離子運動，這種運動會釋放電子，從而產生電流，為設備供電。但是，一個重要差別是電池充電方式。LiFePO4 電池具有與鋰離子電池不同的電氣特性，從而改變了充電曲線。這種差異雖不明顯，但為了發揮 LiFePO4 電池的最大潛力，了解這種差異非常重要。
圖 3 和圖 4 由 Texas Instruments 提供，顯示了典型鋰離子和 LiFePO4 電池的充電曲線。鋰離子電池充電循環（圖 3）通常采用恒壓 (CV) 模式，但 LiFePO4 電池充電算法（圖 4）不需要這種模式。而是采用快速恒流充電 (CC) 將電池快速充電至過充電壓，然后讓電池“放緩”至較低的浮充電壓閾值。由于不需要恒壓控制，因而大大縮短了充電時間。在充電循環內，內部控制回路通常監視電源管理 IC (PMIC) 的結溫，當超過溫度閾值時就會減小充電電流。
圖 3：鋰離子電池的充電分為三個不同的階段。首先，電池以適度的恒流預充，然后以較高的恒流快充，以快速增加能量。最后，當電池輸出電壓達到充電電壓時，充電曲線會轉換到恒壓充電，緩慢充滿電池電量。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 4：LiFePO4 電池的充電與鋰離子電池不同。預充之后，電池使用恒流模式充滿電量。然后，電壓可以第一次“放緩”，再使用小 Top-off 充電方式進行浮充。與鋰離子充電循環相比，LiFePO4 電池的充電速度更快。（圖片來源：Texas Instruments）
兩種充電曲線的另一個差異是，由于電池化學原理的不同，LiFePO4 電池的最高充電電壓較低。LiFePO4 電池的最高充電電壓上限為 3.6 V，達到該值之后將回落到 3.5 V，而鋰離子電池的最高電壓限定為 4.1 或 4.2 V。
緊湊型 LiFePO4 電池充電器
LiFePO4 電池使用量的增加，促使芯片公司推出單片 IC，專用于使用經過優化的充電曲線為這種電池充電。這讓用戶無需重新從頭設計電源管理電路，就能采用這種技術。
Texas Instruments 的 BQ25070DQCR LiFePO4 PMIC 就是一個實例。該器件采用 2 x 3 mm 封裝，提供 3.7 V 過充電壓，并在高達 1.2 A 的電流下提供 3.5 V 的浮充電壓。
第二個實例是 MCP73123T-22SI/MF，來自 Microchip Technology。該器件的輸入電壓為 4 至 16 V，最大充電電流為 1.1 A。快速充電 CC 值通過外部電阻器來設定，介于 130 mA 到上限，具體取決于充電的電池。在高功率或高環境溫度條件下，MCP73123/223 還會根據芯片溫度來限制充電電流（圖 5）。
圖 5：Microchip Technology 的 LiFePO4 PMIC 原理圖。連接到 PROG 引腳的電阻器設定最大充電電流。（圖片來源：Microchip Technology）
第三個解決方案來自 Analog Devices。MAX77787JEWX+ PMIC 工作輸入電壓范圍為 4.5 至 13.4 V，最大充電電流為 3.15 A。快速充電電流和充電終止電壓通過外部電阻器進行配置。這款 2.75 x 2.75 mm 器件同時支持 LiFePO4 和鋰離子電池充電。
結語
雖然與鋰離子電池相比，在能量密度和電源電壓方面處于劣勢，但 LiFePO4 電池具備充電循環壽命更高和充電快速的優勢。此外，這種電池適合很多成本敏感型應用，包括電動汽車和工業物聯網傳感器。專門設計的單片充電器能夠讓用戶輕松而心安理得地利用電池化學材料，實現充電曲線優化，并確保電池的長壽命和可靠性。 |
