新能源汽车最核心的技术即为提供能量的电池,续航能力和充电速度则是电池技术发展到今天的瓶颈所在,经过了30多年的发展,电动汽车的能量大多数都由各种锂电池组所提供,但是锂电池目前仍没有完全成熟,仍处于不断探索之中。

目前锂电池的类型有锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂、三元材料等,因能量性能和稀有金属成本的原因,锰酸锂、钛酸锂和钴酸锂电池逐渐变为小众选择,而磷酸铁锂和三元锂电池则得到更广泛的推广应用。

这两种不同的锂电池各有什么特点,它们之间的区别是什么?目前新能源汽车企业都采用了哪条技术路线?这两种锂电池谁能够笑到最后?本文将为你逐一详解。

三元锂电池和磷酸铁锂电池

三元锂电池全称是“三元材料电池”,一般是指采用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2,NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元正极材料的锂电池,把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整,所以称之为“三元”,包含了许多不同比例类型的电池。从形状上来区分,可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6-3.8V,能量密度比较高,电压平台高,振实密度高,续航里程长,输出功率较大,高温稳定性差,但低温性能优异,造价也比较高。

磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料,用铁来做电池原料一来成本低廉,二不含重金属,对环境污染较小,工作电压为3.2V。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,因此在零电压存放时并不会有泄漏,高温条件下或过充时安全性非常高,可快速充电,高放电功率,无记忆效应,循环寿命高,缺点为低温性能差,正极材料振实密度小,能量密度较低,产品的成品率和一致性也饱受质疑。

这两类电池各有所长

高温条件下,三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解,产生剧烈的化学反应,释放出氧原子,并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象,因此基于安全的考虑,我国工信部在2016年1月,通过特殊发文规定将三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。而磷酸锂电池的分解温度在800℃,更不容易着火,安全性相对较高。

(资料来源:海通证券《新能源汽车产业链系列深度报告》)

低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,基本与寒冷地区的使用绝缘了;而三元锂电池的低温性能优异,在-30℃条件下可保持正常电池容量,更适应北方低温地区的使用条件。

从制造成本上来看,三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少,大部分靠海外进口,受到市场波动影响非常大,所以三元锂电池的成本必然居高不下,而磷酸铁锂电池所需原材料无需进口,供应充足,价格稳定,成本相对较低。

在实验条件下,磷酸铁锂电池循环5000次后,剩余容量为84%,1 C 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量;三元锂电池循环3900次后,剩余容量只剩下66%,1C循环2500次后就下降到80%初始容量。相比起来磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。此外,磷酸铁锂电池能量密度为120Wh/kg,已经基本达到理论极致,而三元电池的能量密度180Wh/kg,今后还有很大的提升空间。

电池制造企业和电动汽车企业的技术路线选择

根据2016年1-4月的数据,国内磷酸铁锂电池的出货量可占据市场总额的75.3%,可以说是主流的技术形式,而三元锂电池的比重只占到22.6%,但是同比增长速度达到了3.47倍,发展非常迅速。

日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池的技术路线,比如新能源巨头特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池,就是所谓的NCA,在Model S和Model X上采用的是松下18650电池组,而最新的MODEL 3采用了更大容量的21700圆柱体电池组。

(资料来源:海通证券《新能源汽车产业链系列深度报告》)

国内的新能源汽车企业在早期源于成本问题,大多采用磷酸铁锂电池作为能量来源,如比亚迪等企业则为磷酸铁锂电池的主力厂商,推出了秦、唐、宋等众多明星产品,而现如今由于国家对于续航里程等补贴标准的提升,三元锂电池市场份额在逐渐提升。

三元锂电池和磷酸铁锂电池谁能够笑到最后?

(资料来源:日本锂电知名研究机构IIT)

国内关于三元锂电池和磷酸锂电池的争论非常激烈,谁将成为未来的技术主流?目前各厂商都在两条不同的道路上探索。三元锂电动力电池在漏液、变形、燃烧和爆炸上的风险不容忽视,但目前新能源企业都在电池管理系统上下足功夫(如过充保护OVP、过放保护UVP、过温保护OTP、过流保护OCP等),也采用了高强度的铝合金保护结构,而许多电池厂商已经在正极材料中加入硅钛纳米管、无溶剂PI粘合剂、固态电解质等技术路线上取得不俗成就,大大降低了风险和成本。

比亚迪作为电池生产龙头企业,一直在坚持磷酸铁锂电池的技术路线,甚至还在开始在磷酸铁锂电池中加入锰元素,探索磷酸铁锰锂电池,突破了原有的能量密度限制,成本控制也非常优秀,但是对于充电时间提出了新的挑战。

更高的安全性和更大能量密度两者是企业和科研人员需要进行同时追求的两面,从新能源汽车的发展需求来看,三元锂电池在逐步解决安全性之后,凭借更大的能量密度,在未来的较量中将取得一定的上风。

结语

在与磷酸铁锂电池的竞争中,三元锂电池的安全问题有待提升,这始终是盘桓在汽车企业脑海中的阴影,连特斯拉Model X这样的技术领先产品,也曾在国内外多次发生电池组起火燃烧的事故。但从长远来看,三元锂电池有着磷酸铁锂电池不可比拟的高能量密度、耐低温等特性,在新能源汽车发展的未来,三元锂电池解决掉安全和成本问题之后,将彻底取代目前磷酸铁锂的市场地位,将成为新能源市场上的大势所趋,这场大战最快将于三年之内见分晓,让我们拭目以待吧!

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