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磷酸铁锂VS三元锂,谁更强?

    锂电,作为近年最有发展前途的产业之一,一直备受关注,技术路线之争更是一直未停歇。锂电池能成为现在众多目光的焦点,其实和电动汽车发展有关。电动汽车取代燃油汽车,无人驾驶取代有人驾驶,已经被汽车产业认为是大势所趋,这个万亿级大市场可是人类工业发展的“皇冠”,可以产生一批伟大的企业,而电动汽车的核心技术之一就是电池技术。

锂电与传统的铅酸电池(含胶体电池)、镍氢电池等比较,有着明显的优势,最重要的是锂电体积小、重量轻、反复充放电容量损失小、寿命长,最大的制约因素是价格和安全性。价格方面,锂电贵是因为技术成熟度、产业规模已经产业链发展等因素导致的,但随着锂电技术的高速发展和规模生产,锂电性价比已经越来越高;安全性方面,特别是大容量动力电池方面,一直是困扰锂电池的问题之一,但锂电池的安全技术也是水涨船高,会越来越安全。这两个方面的问题,也直接影响到锂电池的技术路线之争。本文仅代表作者个人观点,欢迎讨论质疑。

今年上半年,中国锂电巨头也是世界锂电巨头----宁德时代与比亚迪,两家你来我往,争论谁家电池更安全,就让行业内外的小伙伴们吃了好大的瓜,有兴趣的同学可以搜索文章《针刺试验告一段落宁德时代和比亚迪分出胜负了吗?》了解详细“战况”。

据了解,动力电池分为化学电池、物理电池和生物电池等,电动汽车一般采用化学电池,它是车辆驱动能量来源,堪称电动汽车心脏,从结构上可分为蓄电池和燃料电池,其中蓄电池泛指可重复充电电池,大致有镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池和铅酸蓄电池等,锂离子电池因为能量密度高和循环寿命长,已成为电动汽车乃至大多数电子产品(智能手机、笔记本电脑等)的常用电池。商用、民用甚至军用储能电池这块,锂电池的份额也在与日俱增,取代铅酸电池恐怕只是时间问题。

 

谈论锂电技术路线之争,首先要了解锂电发展的现状。

 

锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四个部分组成,其中正极材料成本达到1/3,也是当前提升电池性能关键,根据使用材料不同分为钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰和镍钴铝六种,其中后两者就是大名鼎鼎的三元锂电池,又称三元聚合物电池。

汽车动力电池性能指标主要有储能密度、循环寿命、充电速度、抗高低温和安全性五个维度,其中储能密度和安全性是两大关键指标,钛酸锂电池和锰酸锂电池因为储能密度太低而被业界淘汰,钴酸锂则因安全性太差而被束之高阁,剩下磷酸铁锂电池和三元锂电池跻身主流市场,目前分别主要应用于客车市场和乘用车市场。这是为什么呢?

 

事实上,三元锂和磷酸铁锂两种电池并没有绝对好坏,而是各有千秋。三元锂电池VS磷酸铁锂电池主要有几个方面的体现:

 

 

  1、能量密度

 

三元锂电池优势在于储能密度和抗低温两个方面,尤其是在储能密度上,三元锂电池因为电压高等技术因素(铁锂标称电压3.2-3.3V,锰系3.6-3.7V),能量密度较大。宁德时代2019年宣称,攻克高镍三元材料及硅碳负极材料等关键核心技术,率先开发出比能量(质量能量密度)达304Wh/kg的电池样品,迈入国际先进行列。甚至有初创公司和研究机构声称已经研发超过400Wh/kg的电池,但是,工业化大生产又是另外一番景象,各大厂商量产的成熟三元锂目前能量密度在160-240Wh/kg区间。

题外:什么是能量密度?能量密度(Energydensity)是指在一定的空间或质量物质中储量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。

具体到三元锂的技术路线,NCA(镍钴铝)和NCM(镍钴锰)两种是主要的。比较而言,NCA性能更为优异,但因为热失控温度较低,对制作工艺要求高、成本高且技术掌握在日韩车企手中,因而国内主要研发NCM电池,当前按照三元材料比例不同,分为111、523、622和811四种,技术发展可谓日新月异。

磷酸铁锂电池,就是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。这一类电池的特点是不含贵重金属元素(比如钴等)。在实际使用中,磷酸铁锂电池具有耐高温,安全稳定性强,价格便宜,循环性能更好的优势。

磷酸铁锂电池能量密度比三元锂电池还是要低一些,比亚迪2020量产的刀片电池(称为“超级铁锂离子电池”)就是磷酸铁锂电池的代表。其能量密度约为190Wh/kg,借助系统结构设计等,装车系统容量大于150Wh/kg,算是没有落后竞品太多,但这改变不了磷酸铁锂电池能量相较三元锂密度偏低的现状。

但也有业内人士表示,也许正是因为磷酸铁锂能量密度偏低,单位体积储存能量较少,所以安全性才更高。

 

  2、安全性

 

当前行业普遍认可的事实是三元锂循环寿命较差,高温条件下热稳定性明显不如磷酸铁锂。热稳定性直接关乎锂电自燃、爆炸等安全性评估。所以,针刺断路实验(断路会导致高温)也就成了各方争论安全性比较的关键实验项目。说磷酸铁锂更安全,也主要源于此。

2018有机构研究结论是,从材料体系方面来进行比较,磷酸铁锂电池组的正极材料分解温度在700摄氏度左右,三元锂电池的正极材料分解温度在200摄氏度左右。那么电池整体的热稳定如何呢?另据资料显示,磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右;工作温度范围宽广(-20C至+75C),有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃,而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

磷酸铁锂更安全,这在当下业内还是有一定共识的。一般来说,磷酸铁锂在高温、挤压、穿刺、断路等极端情况下,都可以保证自身不自爆炸。说“产品理论安全性不代表产品或系统安全性”的话,属于强词夺理,我们只能呵呵了。当然,这个世界本就没有绝对的安全性,燃油车自燃事故现在远比电动汽车高,而汽油的不安全更是人尽皆知的常识!我们要保障的产品安全性,是指在满足产业各种条件下,尽量选择安全性较强的技术路线,这是新竹科技选择磷酸铁锂作为我司锂电主机电芯的根本原因之一。

 

3、寿命

 

磷酸铁锂电池比三元锂电池寿命长,这在业内也是有一定共识的。电池的寿命是指什么意思?其实不是大家通常理解的用几年的问题。电池寿命制约因素主要包括循环充放电次数、负载实际功耗与使用频率等。

2018年有研究机构测试,磷酸铁锂电池循环5000次剩余容量84%,三元锂电池循环3900次剩余容量66%,循环寿命方面进行比较,磷酸铁锂优势明显。如果把剩余容量/初始容量=80%作为测试结束点,目前磷酸铁锂电池实验室1C循环寿命在3500次以上,部分达到5000次,而三元锂电池实验室1C循环寿命在2500次左右。这个剩余容量80%其实是正常产品标称指标,有厂家喜欢在反复充放电次数上虚标,其实就是在剩余容量百分比上弄虚作假。而实际部署电池系统,配置的电芯容量越大、负载功耗越低、使用频率越低,自然电池的寿命也越长,但磷酸铁锂寿命长的优势是明显的。

磷酸铁锂电池寿命普遍比三元锂长50%甚至100%,那么,与传统的铅酸电池(胶体电池)比较又如何呢?以普通车用电瓶为例,大多寿命标称2年,实则循环充放电次数仅300-500次,按照这种参数简单推论,磷酸铁锂电池寿命10年以上了。之所以新竹科技主机选择磷酸铁锂电芯,另一个主要原因就源于寿命。要知道,系统寿命即使仅仅长3倍,锂电太阳能系统相较传统“便宜”的以铅酸电池为核心的太阳能系统,就可以达到其造价三倍达到的寿命(同样的功耗和使用频率,如果铅酸电池系统寿命1-2年,则磷酸铁锂系统寿命会在5年以上),在长期使用的性价比方面,可谓优势明显!

 

4、价格

 

目前,磷酸铁锂电池比三元锂电池价格稍贵,新竹科技认为主要是因为技术研发投入大和量产的“量”多少的原因。

据报道,2019年中国电动汽车市场锂电总装机量达62.82GWh,同比增长10.82%。从技术路线看,NCM三元电池的装机量为占比63.88%;磷酸铁锂电池实现装机占比33.64%。其中,宁德时代以32.07 GWh的装机量位居国内第一,占比51.05%;比亚迪以10.92 GWh的装机量位居第二,市占率为17.38%。去年,宁德时代磷酸铁锂电池装机量约11.47 GWh,占比为36%;NCM三元电池占比为64%。也就是说,宁德时代既是中国最大的磷酸铁锂厂商,也是中国最大的三元电池厂商。比亚迪去年的磷酸铁锂装机量占其总装机量的27%,NCM三元电池占比也为压倒性的73%。两家巨头均对两种电池技术路线并行发展,且目前都以三元电池为主。自然,量产规模更大的三元锂更有价格优势。

但是,从长期趋势看,受制于金属交易市场的价格,磷酸铁锂的价格会越来越有优势。锂电池的金属元素中,钴(Co)最贵,并且地球存储量不多(刚果占近一半,全球探明储量约710万吨),镍(Ni)、锰(Mn)较便宜,而铁(Fe)存储量较多,正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此,采用磷酸铁锂LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是挺便宜的,它的另一个特点是对环境环保无污染。明星车企特斯拉也在商讨无钴电池装车的问题,就是一个明证。

越来越便宜的磷酸铁锂将在性价比方面超越三元锂,新竹科技将参与并见证这一进程。

比较磷酸铁锂和三元锂,体积重量方面,也是后者占优,低温充放电特性三元锂也要更好一些,但我们相信,随着研发投入加大和技术升级,磷酸铁锂在这些方面会逐渐赶上三元锂,并在性价比方面超越。

新竹科技的iPower各系列锂电太阳能主机系统,应用场景很多是地广人稀的高山、河流、荒漠与海岛等,并且常常是无人值守的。其安全性要求较高,务必保证不会发生自燃等极端事故发生,所以,磷酸铁锂自燃成为我司首选。选用新竹的锂电太阳能系统,寿命是同等铅酸电池太阳系统的3-5倍,一套顶几套,这也是我们选用磷酸铁锂电芯的核心逻辑之一。也就是说,虽然传统铅酸电池(胶体电池)太阳能系统较便宜,但性价比上iPower锂电太阳能显然更高!

传统铅酸电池的太阳能供电系统一般由控制器、逆变器、电池组等多个部件拼凑而成,连接麻烦,部署不便,安装维护更是繁琐。新竹科技推出的iPower锂电太阳能系统,将控制器、逆变器、锂电电芯以及电源控制管理系统等集成为一体,还增加了过载保护、过压保护、过流保护、高温保护、低温保护、过充保护六大保护功能,使系统更安全。同时,系统的部署、安装与维护也都极大的简化了,大大减少用户的使用维护成本。

新竹科技始终坚持“创新使世界更美好”理念,一直秉持“高性能、高品质、高可靠性”三高产品设计生产理念做让用户放心的好产品,在锂电太阳能供电系统上也是如此。绿色、清洁、环保的太阳能对于广大IT&DT及智能化行业来说是理想的能源,为了让绿色青山永远是金山银山,做锂电太阳能我们会坚守这一初心,努力做更好的产品服务用户!