テスラの新しい電池の選択肢であるリン酸鉄リチウム電池を詳しく見る

Aug 24, 2023

リン酸鉄リチウム（LFP）電池はこれまでリチウムイオン電池を支持して脇に追いやられてきたが、EVメーカーの間で状況が変わりつつある可能性がある。 テスラの2021年第3四半期報告書では、同社がすべての標準範囲の車両でLFPバッテリーに移行する計画があると発表した。

このニュースは、LFP バッテリーが次世代電気自動車 (EV) でますます普及するという大きな傾向を反映しています。

LFP バッテリーは、負極として金属の裏地が付いたグラファイトカーボン電極とともに、正極材料としてリン酸鉄リチウム (LiFePO4) を使用します。 多くのカソード材料とは異なり、LFP は複数の負に帯電した元素で構成されるポリアニオン化合物です。 その原子は結晶構造に配置されており、ニッケル マンガン コバルトの 2D スラブと比較して、リチウム イオンの 3D ネットワークを形成しています。

LFP バッテリーは他のリチウムイオン (Li-ion) バッテリーと同様に動作し、正極と負極の間を移動して充電と放電を行います。 ただし、リン酸塩は酸化コバルトや酸化マンガンと比べて毒性のない物質です。 さらに、LFP バッテリーは、2,000 ～ 3,000 回の範囲のより高い充電サイクルで定電圧を供給できます。

LFP バッテリーは、接続されたセルだけで構成されているわけではありません。 これらには、バッテリーが安全な範囲内に留まるようにするシステムが含まれています。 バッテリー管理システム (BMS) は、あらゆる動作条件でバッテリーを保護、制御、監視し、安全性を確保し、バッテリーの寿命を延ばします。

リン酸鉄リチウム電池は他の電池よりも耐久性が優れていますが、それでも充電中に過電圧の影響を受ける可能性があり、性能が低下します。 カソード材料も酸化して不安定になる可能性があります。 BMS は各セルを制限し、バッテリー自体が最大電圧に保たれるように機能します。

電極材料が破損するため、不足電圧が懸念されます。 BMS は、いずれかのセルが低下した場合に、回路からバッテリーを切り離すことができます。 また、過電流状態に対するバックストップとしても機能し、短絡が発生した場合には動作を停止します。

LFP バッテリーのエネルギー密度は、コバルト酸リチウム (LiCoO2) の代替バッテリーよりも低く、動作電圧も低くなります。 これらの課題にもかかわらず、EV 車両における LFP バッテリーの利点を否定することはできません。

LFP は低コストで知られており、ニッケルを豊富に含む NMC よりも 1 キログラム当たり 70% も安いという試算もあります。 コスト面での利点はその化学組成によるものです。 鉄とリンは世界中で大規模に採掘されており、多くの産業で広く使用されています。

2020年、報告されたLFPバッテリーの最低セル価格は初めて100ドル/kWhを下回りました。 LFP バッテリーは環境への影響も小さくなります。 供給に制約があり、高価で、環境への影響が大きいニッケルやコバルトは含まれていません。

LFP バッテリーは、セルの容量損失速度が遅いため、他のリチウムイオン バッテリーよりも寿命が長くなります。 動作電圧が低いということは、セルが容量に影響を与える反応を起こしにくいことも意味します。

一貫した放電電圧と低い内部抵抗により、LFP 搭載車両はより速く電力を供給し、より高い充放電効率を達成できます。

LFP は熱的および化学的に安定しているため、誤使用や構造的損傷による爆発や火災が起こりにくくなります。 コバルト酸リチウム電池では、負の温度係数を持つコバルトの脱落によって熱暴走が発生する可能性があります。

LFP は、ニッケルを多く含む NMC の 6 分の 1 の熱を放出すると言われています。 LFP バッテリーでは Co-O 結合もより強力であるため、短絡または過熱が発生した場合、酸素原子の放出が遅くなります。 さらに、完全に充電されたセルにはリチウムが残らないため、他のリチウムセルに典型的な発熱反応と比較して、酸素欠損時の耐性が高くなります。

LFP バッテリーは代替バッテリーよりも安価で安定していますが、広範な採用を妨げる主な要因はエネルギー密度です。 LFP バッテリーのエネルギー密度は代替バッテリーよりもかなり低く、15 ～ 25% です。 しかし、上海製のモデル 3 で使用されているような、より厚い電極が使用され、359Wh/リットルのエネルギー密度を実現することで、この状況は変わり始めています。