Kernmerkmale: Lithium-Eisenphosphat-(LiFePO₄, LFP)-Batterien, die Lithium-Eisenphosphat als aktives Material für die positive Elektrode, Graphit als negative Elektrode und eine gemischte Carbonatlösung als Elektrolyt verwenden, sind derzeit der gängigste Batterietyp im Bereich Antriebs- und Energiespeichersysteme. Ihre zentralen Vorteile liegen in Sicherheit, langer Lebensdauer sowie Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz. Ihre Spannungsplattform ist stabil bei 3,2 V, die chemischen Reaktionen während des Ladens und Entladens verlaufen milde, und sie weisen eine außerordentlich hohe thermische Stabilität auf. Sie bestehen strenge Sicherheitsprüfungen wie Nadelstich, Quetschung und Hochtemperaturlagerung und erfüllen die Anforderungen der Norm GB 38031-2020. Innerhalb von 5 Minuten nach einem thermischen Durchgehen besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr, was einen deutlichen Sicherheitsvorteil gegenüber ternären Batterien darstellt.
Die Zyklenlebensdauer ist ein zentraler Wettbewerbsvorteil. Gemäß der nationalen Norm GB/T 36276, bei der eine Kapazitätsdegradation auf 80 % als Maßstab gilt, erreichen Standardprodukte bei einer Entladetiefe (DOD) von 80 % 3.000 bis 4.000 Zyklen, während Hochleistungsprodukte in Laborversuchen mehr als 6.000 Zyklen übertreffen können. In praktischen Anwendungen nutzen Haushalts-Energiespeichersysteme einen Lade- und Entladebereich von 20 % bis 80 % SOC, wobei die jährliche Degradation lediglich 2,5 % beträgt und sich dadurch eine Lebensdauer von 12 bis 15 Jahren ergibt; im Modus einer flachen Ladung und Entladung mit 50 % DOD kann die Anzahl der Zyklen auf bis zu 8.000 erhöht werden – eine perfekte Übereinstimmung mit den Anforderungen an häufiges Zyklieren im Bereich der Photovoltaik-Energiespeicherung.
Kontinuierliche technologische Fortschritte beheben Leistungsmängel. Produkte der vierten Generation mit hoher Hochspannungsdichte haben die Serienproduktion in großem Maßstab erreicht; die Energiedichte pro Zelle beträgt 190 Wh/kg, und die System-Energiedichte übersteigt 205 Wh/kg – damit wird das Niveau von ternären Batterien nahezu erreicht. Gleichzeitig wird durch Optimierung mit neuen Elektrolyten und thermischen Managementtechnologien die Reichweitenreduzierung bei niedrigen Temperaturen von −30 °C auf weniger als 20 % begrenzt; zudem ermöglicht die 4C-Ultra-Schnellladetechnologie eine Ladeleistung von 80 % innerhalb von 15 Minuten – damit werden die traditionellen Schwachstellen hinsichtlich der Leistung bei tiefen Temperaturen und des schnellen Ladens behoben.
Umwelt- und Kostenvorteile sind hervorragend. Sie enthalten keine knappen Schwermetalle wie Kobalt und Nickel, erfüllen die Umweltvorschriften RoHS und REACH, weisen während ihres gesamten Lebenszyklus geringe Kohlenstoffemissionen auf und können nach Außerbetriebnahme gemäß der Norm GB/T 34015-2017 schadlos demontiert und recycelt werden. Aufgrund der leicht verfügbaren Rohstoffe liegen die Kosten um 15–20 % unter denen von ternären Lithiumbatterien. Darüber hinaus unterstützt das Batteriemanagementsystem (BMS) eine dreistufige Fehlerwarnung sowie eine Abschaltreaktion auf Millisekundenebene und erfüllt damit die Anforderungen an das Redundanzdesign großer Energiespeicherkraftwerke.
Typische Anwendungen: Dank seiner Leistungsmerkmale deckt es breit gefächerte Anwendungsszenarien ab. Im Bereich der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben unterstützen Produkte wie BYDs Blade-Batterie einen stabilen Fahrzeugbetrieb über eine Laufleistung von 600.000 Kilometern; im Bereich der Energiespeicherung dominiert es Photovoltaik-/Windenergiespeicher- und Netzzuspitzenspitzenausgleichsprojekte und eignet sich zudem für häusliche Energiespeichersysteme; in kommerziellen Anwendungen – etwa bei Elektrobussen, langsamfahrenden Elektrofahrzeugen und Kommunikationsbasisstationen – wird es als Kernenergiequelle für Geräte mit hohen Anforderungen an Sicherheit und lange Lebensdauer eingesetzt. Die globale Marktgröße verzeichnet eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von über 20 % und wird voraussichtlich bis 2028 150 Milliarden RMB überschreiten.
Hauptverfahren zur Herstellung von Kathodenmaterial: Das Kathodenmaterial ist die zentrale Komponente, die die Batterieleistung bestimmt, und seine Herstellung umfasst zwei Schlüsselschritte: die Herstellung des Vorprodukts (Precursor) und die Synthese. Das karbothermische Reduktions-Verfahren in der festen Phase ist das gängige industrielle Verfahren.
Der erste Schritt umfasst die Herstellung des Eisenphosphat-Vorprodukts. Als Eisenquelle wird Eisensulfat-Heptahydrat und als Phosphorquelle technische Phosphorsäure verwendet; Fe²⁺ wird mittels Wasserstoffperoxid zu Fe³⁺ oxidiert. Mit Ammoniakwasser wird der pH-Wert auf 1,5–2,5 eingestellt, um Eisenphosphat auszufällen. Nach einer Platten-und-Rahmen-Filtration und einer Spülung mit Reinstwasser zur Entfernung von Verunreinigungen wird das Material sprühgetrocknet und bei 500–600 °C kalziniert, um ein batteriefähiges Eisenphosphat-Dihydrat-Vorprodukt mit einem Eisen-zu-Phosphor-Verhältnis von ca. 0,97:1 zu erhalten.
Der zweite Schritt ist die Synthese von Lithiumeisenphosphat. Wassertfreies Eisenphosphat, Lithiumcarbonat (im stöchiometrischen Verhältnis von 105 %) und eine Glukose-basierte Kohlenstoffquelle werden im richtigen Verhältnis gemischt. Die Mischung wird nassgemahlen, um eine feine Aufschlämmung mit einem D50-Wert von 0,2–0,6 μm zu erhalten. Nach dem Sprühtrocknen wird das Material unter Stickstoffatmosphäre in einen Rollenofen eingebracht und mittels eines zweistufigen Sinterprozesses behandelt: Zunächst erfolgt die Vorzerlegung der Ausgangsstoffe bei 350 °C über 4 Stunden, gefolgt von einer Erwärmung auf 700–800 °C für 9–20 Stunden zur vollständigen carbothermischen Reduktion. Die Kohlenstoffquelle reduziert Fe³⁺ zu Fe²⁺ und bildet gleichzeitig eine leitfähige Kohlenstoffbeschichtungsschicht auf der Partikeloberfläche. Nach dem Sintern wird das Material einer Luftstrahlmahlung, einer Klassifizierungssiebung sowie einer starkmagnetischen Eisenentfernung unterzogen, um schließlich ein schwarzes Verbund-Kathodenmaterial mit einer Olivin-Kristallstruktur und einer spezifischen Kapazität von 155–165 mAh/g zu erhalten.
Das Flüssigphasenverfahren dient als ergänzender Prozess, beispielhaft umgesetzt durch das selbstheizende Verdampfungsverfahren von Defang Nano. Dieser Prozess ist einfacher: Nach dem Mischen und Lösen der Ausgangsmaterialien zu einer Aufschlämmung wird die Mischung in einem Reaktionsbehälter vorgeheizt und selbstverdampft, wodurch ein wabenartiger Gelvorläufer entsteht. Nach einer ersten Zerkleinerung und Trocknung im Wirbelschichttrockner erfolgt die Sinterung des Materials. Dieses Verfahren entfällt die separate Herstellung eines Eisenphosphat-Vorläufers und führt zu einer gleichmäßigeren Materialmischung; es erfordert jedoch eine präzisere Temperaturregelung. Derzeit wird es hauptsächlich bei der Produktion hochwertiger Energiespeicherbatterien eingesetzt. II. Zellmontage und Nachbearbeitung: Nach der Herstellung des positiven Elektrodenmaterials wird dieses beschichtet, gewalzt und zugeschnitten, um die positive Elektrodenfolie zu bilden. Diese wird anschließend mit der graphitbasierten negativen Elektrodenfolie und dem Separator in einer „positiv-separator-negativ“-Struktur gestapelt oder gewickelt und in ein Aluminiumgehäuse (für prismatische Batterien) bzw. ein Stahlgehäuse (für zylindrische Batterien) eingebracht, um die Zelle zu bilden. Nach dem Einfüllen des auf Carbonaten basierenden gemischten Elektrolyten unterzieht man die Zelle einem Formierungsprozess, um sie zu aktivieren. Dabei erfolgt eine konstantstrom- und konstantspannungsgeführte Ladung, um einen SEI-Passivierungsfilm auf der Elektrodenoberfläche zu bilden. Abschließend werden Alterung, Kapazitätsprüfung und Sortierung durchgeführt, um Produkte mit nicht konformer Kapazität und Innenwiderstand auszusortieren und so die Konsistenz der Zellen sicherzustellen.
