リン酸鉄リチウム（LFP）の化学式はLiFePO₄です。その安全性の秘密は、リチウムイオンを保護する頑丈な鎧のような、独特の「オリビン構造」にあります。
構造が運命を決める
1. 結晶構造：リチウムイオンの「安全な経路」
顕微鏡で見ると、LFP結晶はオリビン型（六角形構造）に見えます。この構造には以下のような特徴があります。
PO₄³⁻四面体は、建物の鉄筋のような強固な骨組みを形成します。この構造は高温下でも優れた耐久性を発揮します。
Fe²⁺イオンは骨格の隙間に存在し、構造を安定化させます。
Li⁺イオンは経路を移動し、充放電時に挿入と放出を繰り返します。これにより経路が確保され、逸脱を防ぎます。
この構造は三元系材料よりもはるかに耐久性に優れています。バッテリーが衝撃や高温にさらされても、PO₄³⁻骨格は強固なままです。これにより、三元系材料で燃焼を引き起こす可能性のある酸素の放出が抑制されます。実験では、LFPは500℃以上で分解することが示されています。一方、NCM811のような三元系材料は200℃で分解が始まります。
2. 充放電原理：穏やかな「イオン移動」
LFPの充放電は、まるで滑らかな「イオンの移動」のようです。三元系材料に見られる激しい反応とは異なります。
充電中、Li⁺は正極（LiFePO₄）から放出され、電解質を通って負極（グラファイト）に移動し、LiC₆を形成します。
放電中、Li⁺は負極から正極へと移動します。同時に、電子が外部回路を移動して電流を生成します。
Fe²⁺とFe³⁺間の酸化還元反応は穏やかです。これは、ニッケルやコバルトなどの遷移金属における激しい反応とは異なります。三元系材料中のこれらの金属は、大量の熱を放出します。LFPは充放電中の温度変化が最小限で、通常は20℃未満です。
パフォーマンス入門：LFPのメリットとデメリット
完璧なバッテリーは存在しません。LFPの性能特性は、「2つの長所と2つの短所」と要約できます。これらの特性を理解することは、LFPの適用シナリオを理解する上で非常に重要です。
1. 2つの主な利点：安全性と寿命
最大限の安全性：
LFPには独自の利点があります。それは酸素を放出しないことです。さらに、高温にも耐えられます。三元系材料は加熱されると酸素を放出し、燃焼を促進します。一方、LFPはFe₂O₃やP₂O₅といった不燃性の物質に分解されます。これが、針入試験や圧縮試験におけるLFPの耐発火性の鍵でもあります。
驚異的なサイクル寿命：
LFPのオリビン構造は、充放電時の体積変化がわずか3.7%です。一方、三元系材料は7～10%の変化を示します。これにより、非常に安定した構造安定性が得られます。従来のLFPバッテリーの寿命は3,000～5,000サイクルですが、エネルギー貯蔵用に設計されたLFPバッテリーは10,000サイクル以上使用できます。毎日充放電した場合、約27年間使用できます。
2. 2つの重大な欠点：エネルギー密度と低温性能
低エネルギー密度:
LFPの理論上のエネルギー密度は170mAh/gです。しかし、量産バッテリーのエネルギー密度は通常150～200Wh/kgです。一方、NCM811のような三元系材料は250～300Wh/kgを達成できます。LFPバッテリーは同じ重量で航続距離が短くなります。例えば、同じバッテリー容量のLFP車両は500km程度ですが、三元系材料の車両は600kmしか航続できません。
低温時の大幅な「電力損失」：
0℃以下ではLFPのイオン伝導性が低下し、充電効率と容量が低下します。-20℃では、LFPの容量維持率は約60%ですが、三元系材料は75%に達することもあります。これが、中国北部のユーザーが三元系電池を好む理由です。
技術革新：LFP を「強みを強化し、弱点を克服」するにはどうすればよいでしょうか?
1. 材料改質：LFP生産の加速
ナノ化とカーボンコーティング：
LFP粒子をナノスケール（<100nm）にすることで表面積が増加し、リチウムイオンの移動速度が向上します。表面を炭素層（厚さ2～5nm）でコーティングすることで、導電性が1,000倍向上します。この改良型LFPにより、1Cから5C（12分でフル充電）までの充電速度が向上します。
金属イオンドーピング：
Mg²⁺やNb³⁺などの金属イオンをドーピングすることで結晶構造が改善され、低温特性も向上します。CATLの「低温LFP」は、-20℃で75%の容量保持率を達成し、三元系材料に迫るレベルに達しています。
2. 構造革新：BYDのブレードバッテリーの「宇宙マジック」
従来のLFPバッテリーは正方形のモジュールを使用しているため、スペース利用率はわずか60%です。BYDのブレードバッテリーは、長さ1.5メートル、幅10センチメートルの細長いセルを使用しています。これらのセルは「ブレード」のようにバッテリーパックに収まります。この設計により、スペース利用率は90%以上に向上します。
この設計により、LFPシステムは180Wh/kgを超えるエネルギー密度を実現しています。また、600kmの航続距離を実現し、耐パンク性も維持しています。2023年には、ブレードバッテリーを搭載したBYD Han EVがC-NCAP衝突試験で「自然発火ゼロ」の評価を獲得しました。
3. システム統合：CTP技術の「引き算の芸術」
CATLのCTP技術は、バッテリーパックのモジュールケースを不要にします。これにより、LFPセルを高密度に収納することが可能になります。水冷プレートが温度を制御します。この設計は、以下の特徴を備えています。
重量を15%軽減し、エネルギー密度を10%増加します。
コストを 10% 削減します (モジュール材料と組み立てコストを削減)。
CTP を搭載した LFP バッテリー パックは、Huawei の 5G 基地局などのエネルギー貯蔵ステーションや、宇通電気バスなどの商用車でよく使用されています。
アプリケーションマップ: LFP の「ホームフィールド」はどこですか?
安全性とコスト面での利点により、LFP は次のシナリオで必要不可欠なものとなっています。
1. 新エネルギー車：ローエンドからハイエンドへの反撃
**エントリーモデル：** Wuling Hongguang MINI EVはLFPバッテリーを搭載しています。これによりコストが15%削減され、価格は3万元に下がります。
**ミッドエンドからハイエンドモデル：** BYD Han EVとXiaopeng P5はブレードバッテリー/LFPバージョンを搭載しています。最大600kmの航続距離を実現し、安全性と航続距離のバランスをとっています。
商用車：バスや物流車両は1日に2～3回の充放電を繰り返します。LFPの長寿命（10年/50万キロメートル）により、ライフサイクルコスト全体を削減できます。
2. エネルギー貯蔵発電所：LFPの「絶対的なホーム」
世界中のエネルギー貯蔵発電所の 70% が LFP バッテリーを使用していますが、その理由は次の 3 つです。
長寿命（10,000 サイクル）で 20 年間交換不要。
低コスト（0.5元/Wh）、三元材料より30%低い。
高い安全性により、エネルギー貯蔵発電所の火災を防止します。2021年にテキサス州で発生した火災は、三元電池が原因でした。
中国の「PV + LFPエネルギー貯蔵」プロジェクトは、青海省海西省の100MW発電所など、コスト削減に成功しました。現在、1キロワット時あたりの価格はわずか0.3元で、石炭火力発電よりも安価です。
3. 二輪車および特殊用途
電動自転車：YadeaとAimaのハイエンドモデルはLFPバッテリーを使用しています。これらのバッテリーは、500回の充電後も80%の容量を維持します。つまり、鉛蓄電池の3倍の寿命です。
船舶および地下設備：潜水艦や炭鉱のような狭い空間では、LFPの非爆発性は不可欠です。LFPは、中国の深海探査機「ストラグラー」の非常用電源として使用されています。
LFPの市場シェアは、2015年には10%未満でしたが、2023年には50%を超えました。この成長は、新エネルギー業界が安全性とコストのバランスを重視していることによるものです。電気自動車は「体験ツール」だけでなく、「家庭の必需品」になりつつあります。エネルギー貯蔵は「補助エネルギー」から「電力系統の主力」へと移行しつつあります。LFPは、安定性と信頼性を主なメリットとして提供します。
将来的には、固体電解質の改良とナトリウムイオンドーピングによって、LFPのエネルギー密度と低温性能が向上する可能性があります。しかし、今後どのように変化しても、「安全性」という基本原則は、競争の激しいパワーバッテリー市場においてLFPの成功を維持するでしょう。
