リン酸鉄リチウム は、リチウムイオン電池の電極材料であり、 化学薬品 化学式LiFePO4（略してLFP）で表されます。主に各種のリチウムイオン電池に使用されています。日本のNTTが1996年に初めてオリビン構造のリチウム電池正極材料AyMPO4（Aはアルカリ金属、MはCoFeの組み合わせ：LiFeCoPO4）を発表して以来、1997年に米国テキサス大学オースティン校のジョン・B・グッドイナフらが研究を行いました。同グループはその後、LiFePO4との間でリチウムが可逆的に移動することを報告しました。
米国と日本が偶然にオリビン構造（LiMPO4）を発表したことで、この材料は大きな注目を集め、広範な研究と急速な発展を引き起こしました。従来のリチウムイオン二次電池正極材料であるスピネル構造LiMn2O4と層状構造LiCoO2と比較して、LiMPO4は原材料の供給源が広く、安価で、環境汚染もありません。
リン酸鉄リチウムの基本特性
リン酸鉄リチウムは現在、リチウムイオン電池の正極材料として最も有望視されています。他の正極材料と比較して、次のような利点があります。
（１）低コスト。三元系正極材料と比較すると、リン酸鉄リチウムは比較的安価であり、製造工程も比較的単純で、環境汚染もほとんど発生しない。
（２） バッテリー 安全性が良好です。リン酸鉄リチウム材料には人体に有害な重金属元素が含まれておらず、高温でも有害なガスを発生せず、有毒ガス、酸性ミストなどの物質も発生しません。
（3）サイクル寿命が長い。リン酸鉄リチウムのサイクル寿命は通常500回以上で、三元リチウムよりもはるかに高く、その耐用年数は10年以上に達することがあります。
（4）優れた電気化学性能。リン酸鉄リチウム材料はサイクル性能とレート性能が高く、低温条件下でも良好な性能を維持できます。
リン酸鉄リチウム正極材に短絡が発生した場合でも、燃焼や爆発などの危険な状況を引き起こすことはなく、有毒ガス、酸性ミスト、有毒ガスなどの物質も発生しません。
リン酸鉄リチウムの製造方法
現在、リン酸鉄リチウム材料の製造方法には、主に高温固相合成法、共沈法、ゾルゲル法、水熱法などがあります。
高温固相合成法高温固相合成法とは、室温での反応条件を制御して、特定の形態のリン酸鉄リチウム材料を製造する方法を指します。高温固相合成の主な原理は、炭素源が分解するときに放出される熱を利用して、低温で反応を行うことです。
反応条件、形態を制御することにより、 粒子サイズリン酸鉄リチウムの結晶度および結晶構造を制御することができ、それによって異なる形態および結晶形を有するリン酸鉄リチウムを製造することができる。
利点は生産コストが低いことですが、高温固相合成法には多くの欠点があります。たとえば、温度が高すぎると材料の粒子が成長し、材料の性能が低下します。原材料の価格が高く、生産コストが大きく、製造プロセス中に廃液や廃残渣などの廃棄物が発生しやすいです。
沈殿法：原材料を一定の割合で均一に混合し、適切な添加剤を加え、一定の温度で反応させ、濾過、洗浄、乾燥してリン酸鉄リチウム製品を得ます。共沈法は製造工程が簡単で、製品の形態と粒子サイズを制御できるため、現在最も広く使用されている製造方法です。共沈法で製造されたリン酸鉄リチウム製品の性能は比較的安定しています。
ゾルゲル法：まず炭素源とアルミニウム源を混合し、次にそれらを有機溶媒に加えて攪拌し、所定の温度に達するまで温度を上昇させ、その後溶液を濾過、洗浄、乾燥、分散、低温粉砕してナノリン酸鉄リチウムを調製することを指す。この方法で合成されたリン酸鉄リチウムは、粒子が細かく、結晶性が高く、性能が安定しています。しかし、ゾルゲル法はコストが高く、製造プロセスが複雑で、製品の凝集が深刻な問題です。
リン酸鉄リチウム材料を使用して電力電池を製造することの利点と欠点
リン酸鉄リチウム材料の利点：リン酸鉄リチウム材料は、比容量が大きく、サイクル寿命が長く、低電圧プラットフォームで、安全性が高く、環境適応性が強いなどの利点があり、最も有望なリチウムイオン電池正極材料の1つと考えられています。また、価格が安く、供給源が広いという特徴もあります。
リン酸鉄リチウム材料の問題点：リン酸鉄リチウム材料の製造過程でリン酸結晶が形成されやすく、導電性が低下します。リン酸鉄リチウムの結晶構造は高温で大きく変化し、安定性に欠けます。体積変化を起こしやすく、容量の減衰につながります。また、電解質反応によって生成される有機酸もバッテリーの性能に悪影響を及ぼす可能性があります。
リン酸鉄リチウム材料の性能向上策：リン酸鉄リチウム材料の比表面積と粒子サイズの向上は、リン酸鉄リチウム材料の電気化学性能を向上させる重要な対策です。研究によると、粒子サイズと比表面積が増加すると、リン酸鉄リチウム材料の電気化学性能も向上します。さらに、電解質とバインダーを最適化することも、リン酸鉄リチウム電池の性能を向上させる重要な手段です。
リン酸鉄リチウム市場の需要は急速に増加している
新エネルギー車は引き続き好調
世界の新エネルギー自動車産業は加速的発展の新たな段階に入りつつあり、各国の経済成長に新たな強力な推進力を注入するだけでなく、温室効果ガスの排出削減、気候変動の課題への対応、地球の生態環境の改善にも貢献しています。
2021年以降、EUにおける新車の平均二酸化炭素排出量は1キロメートルあたり95グラム以下とします。これに基づき、2025年と2030年までに、それぞれ15%と37.5%削減する必要があります。
米国のバイデン政権は3月31日、新エネルギー車産業の発展を支援するために1兆4千億米ドルを割り当てると発表した。そのうち1兆4千億米ドルは消費者への補助金として直接使用される。中国国務院は、2025年までに新エネルギー車の販売が新車総販売の約201兆3千億米ドルを占めると計画している。（報道元：Future Think Tank）
エネルギー貯蔵市場の将来は有望
2020年末の技術実用化の程度から判断すると、リチウム電池は依然として最も成熟した新エネルギー貯蔵技術であり、応用割合が最も高い（約90%）。
「新エネルギー貯蔵指導意見」は、2020年末の3.28GWから2025年には30GWにまで達し、今後5年間（2020～2025年）でわが国の新エネルギー貯蔵市場の規模は現在の10倍に拡大し、年平均複合成長率は55%以上になると指摘している。
CNESAの予測によると、電気化学エネルギー貯蔵の複合成長率は、保守的なシナリオでは約57%に留まり、理想的なシナリオでは70%を超え、つまり、2025年までに総設置エネルギー貯蔵容量はそれぞれ35.5GWと55.8GWに達することになります。
新エネルギー発電やエネルギー貯蔵、家庭用エネルギー貯蔵などの使用シナリオの発展に伴い、リン酸鉄リチウムのコスト優位性はより顕著になってきています。リン酸鉄リチウム電池のコスト低下により、巨大な鉛蓄電池代替市場が開拓されると期待されています。
リンと鉄の資源は不可欠であり、統合コストが重要
リン酸鉄リチウムはリン酸鉄の需要を押し上げています。リン酸鉄の短期的な需給は緊密にバランスが取れており、長期的な供給は緩やかです。百川営富の統計によると、2021年9月現在、わが国のリン酸鉄生産能力は35.6万トンで、企業の稼働率は引き続き上昇しており、需給は緊密にバランスが取れています。将来のリン酸鉄リチウム需要の80%がリン酸鉄プロセスパスを通じて実現されると仮定すると、2025年の世界のリン酸鉄リチウム需要272.4万トンは、リン酸鉄需要約209万トンに相当します。2021年9月現在のリン酸鉄生産能力計画によると、3億トンを超えます。百万トンであり、長期的にはリン酸鉄の十分な供給が期待できます。
鉄源：二酸化チタン企業は、リン酸鉄リチウム事業に参入する際に鉄源の利点がある。
二酸化チタン企業は鉄源のコストがゼロで、相乗効果を享受しています。硫酸二酸化チタン企業の副産物である硫酸第一鉄は、リン酸鉄リチウム生産の原料の鉄源です。1トンの二酸化チタンを生産すると、約3トンの硫酸第一鉄を生産できます。大量の硫酸第一鉄の固形廃棄物を処理するのは困難です。積み重ねて廃棄すると、環境汚染問題を引き起こし、資源を浪費します。前処理後、硫酸第一鉄の固形廃棄物は、電池グレードのリン酸鉄を生産するために使用され、その後、リン酸鉄リチウム電池材料を生産することで、資源の利用率が向上し、リン酸鉄リチウム生産の原材料コストが削減され、相乗効果が顕著になります。21H1の平均原材料市場価格に基づいて計算すると、鉄源供給は、鉄源アウトソーシング企業と比較して、1トンあたり1,676元のコストを節約できます。硫酸鉄からリン酸鉄リチウム電池材料を製造するためのプロセスパスが徐々に開かれるにつれて、二酸化チタン業界全体にチャンスがもたらされました。一部の企業は精製された硫酸鉄製品を持ち帰り、他の企業は資源上の優位性を利用して、新エネルギー電池材料分野に参入する機会をつかみました。
リン源：リン化学会社はリン酸鉄リチウム産業に参入する際にコスト面で有利である
リン源供給会社はコスト優位性が大きい。21H1平均市場価格の計算によると、リン源として85%高純度リン酸を購入した場合、リン酸鉄リチウム1トンのリン源コストは約4,124元です。湿式精製技術を使用してリン酸を自前で生産するリン鉱石資源企業の場合、1トンあたりのコストは、リン酸鉄リチウム1トンあたりのリン源コストは約1,989元/トンです。リン源を自前で提供するリン酸鉄リチウム企業のコスト優位性は約2,135元/トンで、鉄源を提供する二酸化チタン企業と比較して、コスト優位性が大きい。
リン酸鉄リチウムはリン資源の付加価値を大幅に高めました。伝統的な農業肥料分野では、農業肥料のリン酸アンモニウム1トンには約1.75トンのリン鉱石が必要であり、1トンのリン鉱石は約172元の利益を生み出すことができます。リン酸鉄リチウムのリン鉱石の単位消費量は約2.26トンです。21H1平均市場価格によると、リン酸鉄リチウム1トンの業界利益は約4,439元であるため、1トンのリン鉱石は1,964元の利益率に相当します。リン酸鉄リチウムは付加価値が高く、農業肥料の10倍以上の収入をもたらすことができ、リン化学企業に評価向上の窓を開きます。
リン化学企業はリン資源と技術の蓄積を持っています。電池用の高純度リン酸や工業用リン酸アンモニウムは、リン酸鉄リチウムの生産における重要なリン源材料です。伝統的なリン化学企業はリン資源の優位性を持っていますが、短期的には、高純度リン酸アンモニウム/工業用リン酸アンモニウムの生産能力を持つ企業は、リン酸鉄リチウムの直接的なリン源、資源と技術の優位性を獲得します。