在当今储能材料领域,磷酸铁锂(LiFePO
4,LFP)作为一种出色的储能材料,在人类社会中发挥着至关重要的作用
[1]。其高安全特性、经济性优势、低环境负荷以及摆脱对镍钴资源的依赖等特点,引发了广泛的学术关注与产业化应用
[2]。因此,它已成为一种极具竞争力且不可或缺的材料,推动了人类文明和科学技术的进步。从性能层面来看,磷酸铁锂凭借高理论比容量(170.0 mA·h/g)、稳定充放电平台、优异循环稳定性(>2 000次)及丰富的资源储备
[3],已在新能源汽车(如电动公交、专用车辆)及大规模储能系统中占据主导地位,成为最具研发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料
[4]。随着LFP电池已得到广泛的应用,其全球市场规模快速增长。预计到2025年,全球LFP市场将达到64 000 t,复合年增长率达23.7%
[5]。磷酸铁锂的生命周期和主要研究领域包括合成、改性、应用、报废和回收等各个阶段。这些阶段中的每一个都是不可或缺且相对独立的,对可持续发展具有重要意义。然而,这些阶段也密切相关,在原理和技术上有许多相似之处。例如,合成和改性往往同时完成,改性和修复的目的相似,磷酸铁锂的液基合成及其浸出过程本质上是相反的过程
[6]。这些联系的存在为不同研究阶段之间的跨学科交叉融合提供了可能性。因此,它们的无缝整合对于可持续发展至关重要。尽管已有综述从实验角度总结LFP进展,但基于文献计量学的全局性、系统性分析仍相对匮乏,亟待进一步深入研究,以填补该领域在宏观研究视角下的空白,为后续研究与产业发展提供更全面、深入的理论支撑。
文献计量学作为一门融合数学建模与统计推断的跨学科方法论,旨在通过量化解析知识载体的分布规律与演进特征,揭示特定研究领域的热点聚焦及发展轨迹。本研究以磷酸铁锂(LiFePO4)为研究主线,整合近25年间(2000—2024年)中国知网(CNKI)与Web of Science(WOS)核心数据库的全球学术成果,借助CiteSpace知识图谱工具,从发文量时空分布、核心作者合作网络、机构影响力矩阵及关键词聚类等多维度展开计量分析。通过构建主题演化路径与突现词检测模型,系统梳理磷酸铁锂材料在合成改性、热失控机制及循环再生等领域的研究脉络,进而评估其技术瓶颈与创新潜力。研究结论可为锂电产业的技术迭代路径规划、资源闭环利用体系构建及跨国研发协作网络优化提供数据驱动的决策依据。
1 材料与方法
1.1 数据来源
本研究选取具有较高代表性的CNKI数据库与WOS数据库作为数据来源。针对磷酸铁锂相关文献,深入分析其主题与关键词。在CNKI数据库中,采用专业检索方式,以“磷酸铁锂”作为检索式展开检索,检索范围设定为2000年1月1日至2024年12月31日,检索期刊类型涵盖SCI、EI收录期刊以及中文核心期刊,最终获取文献1 232篇。对于WOS核心数据库,则运用高级检索方式,以“Lithium iron phosphate”作为检索式,检索时段同样为2000年1月1日至2024年12月31日,共获取文献 4 409篇。本次检索的时间确定为2025年1月15日。
1.2 方法及工具
借助CiteSpace软件对检索到的文献展开计量分析。通过该软件构建LFP发展研究的知识图谱,其中包括核心作者及主要机构的合作网络图谱,直观呈现不同作者和机构在LFP研究领域的合作紧密程度与协作关系。同时构建关键词共现、聚类等知识图谱,从关键词共现图谱中可以清晰洞察各关键词之间的关联强度,而聚类图谱则有助于将相关研究主题聚类整合,揭示研究主题的内部结构和相互关系。从发文趋势角度,通过对文献发表时间的统计分析,绘制发文量随时间变化的折线图,明确LFP研究在不同时期的热度起伏。在主题演化方面,基于关键词聚类和时间序列分析,梳理LFP研究主题从基础理论探索到应用技术创新等各个阶段的演变路径,挖掘研究热点的转移和拓展趋势。对于高被引文献,重点筛选并分析被引用频次较高的文献,从这些文献的研究内容、研究方法等维度入手,总结出LFP研究领域的关键技术突破点,完成定量和定性分析,为该领域的进一步研究提供全面且深入的参考依据。
2 全球磷酸铁锂研究分析
2.1 年度发文量统计
LFP研究相关文献的发表量情况如
图1所示。在CNKI数据库中,自2003年开始出现LFP相关文献,当年发文量为2篇,此后年发文量总体呈上升趋势。以2010年为时间节点来看,2000—2010年期间,年发文量相对稳定,这一阶段的发文总量为158篇,年均发文量为19.75篇。而在2010年之后,LFP相关研究的发文量迅速增长,研究热度急剧攀升,这与中国新能源汽车政策的大力扶持高度相关。2011—2024年期间,发文总量达到1 074篇,年均发文量为76.71篇,其中2024年的发文量最多,共计109篇,占CNKI发文总量的8.85%。
在WOS核心数据库中,共筛选出4 409篇LFP研究相关文献,其年发文量同样总体呈现上升态势。从2000年的发文量5篇,增长至2024年的566篇,这表明LFP的研究工作不断增多。2000—2010年期间,发文总量为474篇,年均发文量为43.09篇;2010—2024年期间,发文量为3 935篇,年均发文量达到281.07篇。值得注意的是,2023—2024年间的发文量涨幅最大,达到42.21%。
2.2 研究热点和主题演化趋势
由
图2可以清晰地看出,在CNKI和WOS数据库中,关于LFP的研究分别形成了8个和4个聚类簇。值得注意的是,所有聚类的平均轮廓系数均大于0.9,这一数据有力地表明文献聚类效果极为显著,所呈现的研究主题明确,且具有较高的可信度。在该图中,不同颜色用以区分不同的研究主题。基于CNKI和WOS核心数据库,从时间发展的脉络来看,LFP的研究历程大致可划分为3个阶段。第1个阶段为基础探索阶段(2004—2015年),聚焦橄榄石结构优化与碳包覆技术(如Trudeau等
[7]提出碳纳米管复合策略),在深入了解磷酸铁锂材料特性的基础上,研究人员开始围绕材料改性展开研究,目的在于提升磷酸铁锂的倍率性能;第2个阶段为技术集成期(2015—2020年),研究重心转向荷电状态(SOC)估计与电池管理系统(BMS),推动LFP在储能电站中的应用;应用深化期(2020—2024年)为磷酸铁锂发展的第3个阶段,热失控机制(如电解液分解产热模型)与闭环回收技术(如湿法冶金再生)成为前沿方向。
2.3 文章高被引统计分析
表1列举了2000—2024年CNKI和WOS数据库中总被引频次数前10的文献。结果显示,CNKI高被引文献多集中于电池热管理(如清华大学《动力型磷酸铁锂电池的温度特性》被引397次),而WOS侧重材料设计(如《Li-ion battery materials:present and future》被引5 384次)。由于LFP电池在电动汽车领域实现商业化应用,其具备的高热稳定性和安全性成为显著的核心优势。因此,全球范围内的研究大多集中在LFP电池的应用拓展与性能改进等方面。磷酸铁锂作为动力电池材料,针对其材料特性、荷电状态、使用寿命等维度的研究,能够为规模化生产工艺(如固相法、溶胶-凝胶法)的优化、成本控制策略的制定,以及与其他正极材料(如三元材料)的对比分析提供坚实的理论依据。
2.4 期刊类别统计分析
2000—2024年,关于LFP研究的相关论文在不同期刊上的发文量分布情况,对于了解该领域的研究热度与趋势具有重要意义。
表2呈现了此时间段内,LFP研究相关论文发文量排名前10的期刊信息。从研究方向来看,磷酸铁锂的研究主要聚焦于电池、材料以及储能等关键领域。在国内的中国知网(CNKI)平台上,《电源技术》期刊在LFP研究论文发文量方面独占鳌头,共计发文331篇,这一数据占前10期刊发文总量的48.74%,凸显了其在国内该领域研究成果传播中的核心地位。而排名第2的《电池》期刊,发文量为67篇,占前10期刊发文总量的9.86%。在国际知名的WOS平台上,发文量排序首位的是《Journal of Power Sources》(影响因子IF=8.1),发文量达363篇,占前10期刊发文总量的27.96%。紧随其后的是《Electrochimica Acta》(影响因子IF=5.5),发文量为224篇,占前10期刊发文总量的17.25%。较高的发文量以及期刊自身的影响力,在一定程度上充分表明磷酸铁锂材料在电池应用领域的研究成果丰硕,且具有较大的研究影响力和关注度。这不仅反映了该领域在学术研究层面的活跃度,也预示着磷酸铁锂材料在电池及相关产业的应用前景广阔,值得持续深入探索与研究。
2.5 作者组成及合作关系
根据
表3的数据统计结果,在CNKI数据库中,来自中国电力科学研究院的杨凯学者位居发文量排行榜首位,其发文数量达到18篇,该学者的主要研究方向聚焦于电池储能领域。在WOS数据库中,排序前10的作者里,有3位来自中国,其余则来自美国、加拿大等国家。其中,发文量居首的是中国河北工业大学的梁广川教授,其发文量多达31篇。发文作者知识图谱(
图3)能够直观地呈现磷酸铁锂领域研究的核心作者,以及作者之间的合作关系。例如,王青松、姚耀春等学者既出现在中英文合作知识图谱上,又均处于CNKI和WOS数据库发文量前10的作者排名中。这一现象在一定程度上表明,他们在磷酸铁锂领域所取得的科研成果不仅在国内受到关注,在国际上也具有一定的关注度和影响力。
2.6 主要研究机构及合作关系分析
由
表4可见,CNKI数据库中国内机构以中南大学的发文量最多,达到62篇,其次是清华大学,发文49篇,中国电力科学研究院排在第3位;WOS数据库显示,排名前10的研究机构以中国科学院的发文量最多,发文251篇。中国机构发文占比超60%,凸显其技术主导地位。在排序前10的机构中,来自中国的科研高校/机构有6个,说明中国在LFP领域的研究涉猎更为广泛与深入,这与我国新能源汽车行业的领先发展有一定的联系;美国能源部、法国科学研究中心、俄罗斯科学院和埃及知识库等机构也在磷酸铁锂领域的研究占有重要地位。综合CNKI和WOS两个数据库信息可见,科研高校仍是磷酸铁锂行业领域研究的主要科研力量,占据发文机构的主力。
通过CiteSpace软件生成发文机构知识图谱(
图4),该图谱能够清晰呈现磷酸铁锂发展研究领域的前沿机构分布状况,国内科研高校/机构中南大学冶金科学与工程学院、中国电力科学研究院有限公司和中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室是出现频次最多的发文机构,其中以中国电力科学研究院有限公司和中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室为核心的跨单位合作联系紧密,而其他各机构之间的连线较为稀疏,密度低,多以同单位合作发文。基于WOS数据库的发文机构知识图谱中,以中国科学院、美国能源部DOE、清华大学和法国科学研究中心出现的频次最多,国际合作网络以中国科学院、美国能源部(DOE)及法国CNRS形成跨区域合作枢纽,国际间的深化合作,共同推进科技创新,促进磷酸铁锂研究领域的多学科交叉融合发展。
2.7 关键词可视化分析
CNKI词关键分析结果如
图5所示,关键词出现频次最高的是检索词磷酸铁锂、正极材料和热失控,关键词聚类分析结果如
图6所示,磷酸铁锂、热失控、正极材料、倍率性能、回收、磷酸铁、掺杂、改性和电池组构成了国内研究的热点领域;WOS关键词分析结果如
图5所示,关键词频次出现最高的是磷酸铁锂和锂离子电池,
图6表明,国外研究热点聚焦于磷酸铁锂、热失控、lixfepo4和回收利用等领域。基于CNKI和WOS关键词可视化分析可见,国内外目前研究热点相似,差异在于:CNKI侧重“电池组均衡控制”(频次180次),而WOS更关注“可持续电解液”(如离子液体替代)。值得注意的是,碳包覆技术从早期的单一改性发展为多级复合策略(如石墨烯/碳纳米管协同增强导电性)。
针对磷酸铁锂正极材料的性能优化研究,当前主要聚焦于碳基包覆改性与晶格掺杂调控两大技术路径。碳基包覆改性通过引入高导电性碳质材料(如活性炭、碳纳米管、碳纤维及石墨烯)构建表面导电网络,有效提升材料的电子电导率及界面稳定性;而晶格掺杂策略则通过引入异质离子(如Mn2+、Co2+等)诱发晶格畸变,实现双重效应:其一可扩大锂离子扩散通道,其二通过抑制Fe-Li反位缺陷显著提升本征离子电导率,进而优化材料的倍率性能与循环稳定性。
在锂离子电池热安全领域,热失控失效机制研究持续深化。针对LiFePO
4体系的热稳定性争议,Ping等
[28]通过原位热分解动力学分析提出氧释放反应路径:LiFePO
4晶格分解产生的活性氧物种与碳酸酯类电解液发生氧化还原反应,其耦合效应导致正极释氧温度阈值降低至220~300℃;同时,氧分子对LiPF6分解产物(如PF5)的消耗作用显著抑制了气相自由基链式反应,使热失控过程总放热量降低约18%。国内研究聚焦工程化热失效场景的机理解析。周志钻
[29]通过热滥用条件下的热动力学建模,量化了不同温升阈值下电池自产热对热失控触发的贡献率,揭示当内部温升速率突破0.5℃/min时,副反应放热功率呈指数级增长,建立基于Arrhenius修正方程的热传播预测模型,其预测误差小于±8%。这些成果为高安全性电池系统设计提供了多尺度理论支撑。
3 结论与展望
3.1 结论
(1)2000—2024年CNKI和WOS数据库共发表5 641篇磷酸铁锂相关文献,发文量总体呈现上升趋势,国内CNKI数据库关于磷酸铁锂的研究发表较晚,以2010年为时间节点,国内外磷酸铁锂相关研究发文量迅速增加。从时间线上,磷酸铁锂的研究大致分为基础探索(2004—2015年)、技术集成(2015—2020年)和应用深化(2020—2024年)3个阶段。
(2)CNKI高被引文献多集中于电池热管理,而WOS侧重材料设计。中国作者及科研机构在国内外期刊的发文量较多,中国机构发文占比超60%,凸显其技术主导地位。国内以中国电力科学研究院有限公司和中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室为核心的跨单位合作联系紧密,国际合作网络以中国科学院、美国能源部(DOE)及法国CNRS形成跨区域合作枢纽。
(3)国内与国外目前研究热点相似,差异在于,CNKI侧重“电池组均衡控制”,而WOS更关注“可持续电解液”。碳包覆技术从早期的单一改性发展为多级复合策略,碳包覆与离子掺杂仍是改性主流,但热失控机制解析与闭环回收技术成为近年突破点。
3.2 展望
(1)为进一步推动磷酸铁锂材料研究迈向新高度,未来的研究需大力促进跨国界、跨领域、跨学科以及跨团队的协同合作与交流。通过搭建国际合作网络,组建跨学科专业团队,构建材料科学、化学和数据科学深度融合的交叉平台,借助高通量筛选技术与人工智能驱动的设计手段,实现信息的高效共享与技术的快速转移。汇聚全球专家学者的智慧结晶与优质资源,深入挖掘具有关键价值的改性技术,从而全方位推动磷酸铁锂材料领域的蓬勃发展与持续进步。
(2)对于磷酸铁锂的回收再利用,采用高原料消耗、高工艺复杂性的方法竞争力较弱,例如完全浸出LiFePO4,然后依次浸出分离不同的元素。然而,随着科学技术的进步,这些方法仍然有潜力用于工业应用。工业规模的LFP电池回收还需要更进一步改进以解决安全、环境和效率问题。此外,再合成材料的性能问题也有待解决。大部分的LFP回收研究迫切需要开发具有成本效益、节能、绿色和可持续闭环回收技术,以促进LFP回收利用从实验室研究到工业应用。未来应建立更全面的回收利用系统和更有效的环保回收方法。
(3)为进一步增强磷酸铁锂电池的安全特性,在磷酸铁锂动力电池安全性提升路径的研发规划中,构建高稳定性的电解液体系应列为重点攻关方向。同步推进负极界面工程优化与功能性隔膜创新开发具有同等重要的技术价值。针对LFP正极体系的热失控防护,可通过引入正温度系数(PTC)功能材料实现晶格结构的热致阻变调控,从而显著改善电极材料的热力学稳定性。值得关注的是,采用Mn元素掺杂策略可在维持LFP本征热稳定性的基础上,通过调节晶体场效应和电子迁移势垒,协同提升电极的克容量及循环寿命等关键电化学参数。此外,通过原子层沉积(ALD)技术构建人工固态电解质界面(SEI)膜,或采用化学气相沉积(CVD)工艺制备梯度炭包覆层,可有效抑制正极-电解液界面副反应,该复合改性技术兼具安全防护与电化学性能增强的双重功效。
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