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            磷酸鐵鋰VS三元鋰,誰更強?

                鋰電,作為近年最有發展前途的產業之一,一直備受關注,技術路線之爭更是一直未停歇。鋰電池能成為現在眾多目光的焦點,其實和電動汽車發展有關。電動汽車取代燃油汽車,無人駕駛取代有人駕駛,已經被汽車產業認為是大勢所趨,這個萬億級大市場可是人類工業發展的“皇冠”,可以產生一批偉大的企業,而電動汽車的核心技術之一就是電池技術。

            鋰電與傳統的鉛酸電池(含膠體電池)、鎳氫電池等比較,有著明顯的優勢,最重要的是鋰電體積小、重量輕、反復充放電容量損失小、壽命長,最大的制約因素是價格和安全性。價格方面,鋰電貴是因為技術成熟度、產業規模已經產業鏈發展等因素導致的,但隨著鋰電技術的高速發展和規模生產,鋰電性價比已經越來越高;安全性方面,特別是大容量動力電池方面,一直是困擾鋰電池的問題之一,但鋰電池的安全技術也是水漲船高,會越來越安全。這兩個方面的問題,也直接影響到鋰電池的技術路線之爭。本文僅代表作者個人觀點,歡迎討論質疑。

            今年上半年,中國鋰電巨頭也是世界鋰電巨頭----寧德時代與比亞迪,兩家你來我往,爭論誰家電池更安全,就讓行業內外的小伙伴們吃了好大的瓜,有興趣的同學可以搜索文章《針刺試驗告一段落寧德時代和比亞迪分出勝負了嗎?》了解詳細“戰況”。

            據了解,動力電池分為化學電池、物理電池和生物電池等,電動汽車一般采用化學電池,它是車輛驅動能量來源,堪稱電動汽車心臟,從結構上可分為蓄電池和燃料電池,其中蓄電池泛指可重復充電電池,大致有鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池和鉛酸蓄電池等,鋰離子電池因為能量密度高和循環壽命長,已成為電動汽車乃至大多數電子產品(智能手機、筆記本電腦等)的常用電池。商用、民用甚至軍用儲能電池這塊,鋰電池的份額也在與日俱增,取代鉛酸電池恐怕只是時間問題。

             

            談論鋰電技術路線之爭,首先要了解鋰電發展的現狀。

             

            鋰離子電池由正極材料、負極材料、隔膜和電解液四個部分組成,其中正極材料成本達到1/3,也是當前提升電池性能關鍵,根據使用材料不同分為鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳和鎳鈷鋁六種,其中后兩者就是大名鼎鼎的三元鋰電池,又稱三元聚合物電池。

            汽車動力電池性能指標主要有儲能密度、循環壽命、充電速度、抗高低溫和安全性五個維度,其中儲能密度和安全性是兩大關鍵指標,鈦酸鋰電池和錳酸鋰電池因為儲能密度太低而被業界淘汰,鈷酸鋰則因安全性太差而被束之高閣,剩下磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池躋身主流市場,目前分別主要應用于客車市場和乘用車市場。這是為什么呢?

             

            事實上,三元鋰和磷酸鐵鋰兩種電池并沒有絕對好壞,而是各有千秋。三元鋰電池VS磷酸鐵鋰電池主要有幾個方面的體現:

             

             

              1、能量密度

             

            三元鋰電池優勢在于儲能密度和抗低溫兩個方面,尤其是在儲能密度上,三元鋰電池因為電壓高等技術因素(鐵鋰標稱電壓3.2-3.3V,錳系3.6-3.7V),能量密度較大。寧德時代2019年宣稱,攻克高鎳三元材料及硅碳負極材料等關鍵核心技術,率先開發出比能量(質量能量密度)達304Wh/kg的電池樣品,邁入國際先進行列。甚至有初創公司和研究機構聲稱已經研發超過400Wh/kg的電池,但是,工業化大生產又是另外一番景象,各大廠商量產的成熟三元鋰目前能量密度在160-240Wh/kg區間。

            題外:什么是能量密度?能量密度(Energydensity)是指在一定的空間或質量物質中儲量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。電池的能量密度越大,單位體積內存儲的電量越多。

            具體到三元鋰的技術路線,NCA(鎳鈷鋁)和NCM(鎳鈷錳)兩種是主要的。比較而言,NCA性能更為優異,但因為熱失控溫度較低,對制作工藝要求高、成本高且技術掌握在日韓車企手中,因而國內主要研發NCM電池,當前按照三元材料比例不同,分為111、523、622和811四種,技術發展可謂日新月異。

            磷酸鐵鋰電池,就是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。這一類電池的特點是不含貴重金屬元素(比如鈷等)。在實際使用中,磷酸鐵鋰電池具有耐高溫,安全穩定性強,價格便宜,循環性能更好的優勢。

            磷酸鐵鋰電池能量密度比三元鋰電池還是要低一些,比亞迪2020量產的刀片電池(稱為“超級鐵鋰離子電池”)就是磷酸鐵鋰電池的代表。其能量密度約為190Wh/kg,借助系統結構設計等,裝車系統容量大于150Wh/kg,算是沒有落后競品太多,但這改變不了磷酸鐵鋰電池能量相較三元鋰密度偏低的現狀。

            但也有業內人士表示,也許正是因為磷酸鐵鋰能量密度偏低,單位體積儲存能量較少,所以安全性才更高。

             

              2、安全性

             

            當前行業普遍認可的事實是三元鋰循環壽命較差,高溫條件下熱穩定性明顯不如磷酸鐵鋰。熱穩定性直接關乎鋰電自燃、爆炸等安全性評估。所以,針刺斷路實驗(斷路會導致高溫)也就成了各方爭論安全性比較的關鍵實驗項目。說磷酸鐵鋰更安全,也主要源于此。

            2018有機構研究結論是,從材料體系方面來進行比較,磷酸鐵鋰電池組的正極材料分解溫度在700攝氏度左右,三元鋰電池的正極材料分解溫度在200攝氏度左右。那么電池整體的熱穩定如何呢?另據資料顯示,磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃,而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右;工作溫度范圍寬廣(-20C至+75C),有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃,而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

            磷酸鐵鋰更安全,這在當下業內還是有一定共識的。一般來說,磷酸鐵鋰在高溫、擠壓、穿刺、斷路等極端情況下,都可以保證自身不自爆炸。說“產品理論安全性不代表產品或系統安全性”的話,屬于強詞奪理,我們只能呵呵了。當然,這個世界本就沒有絕對的安全性,燃油車自燃事故現在遠比電動汽車高,而汽油的不安全更是人盡皆知的常識!我們要保障的產品安全性,是指在滿足產業各種條件下,盡量選擇安全性較強的技術路線,這是新竹科技選擇磷酸鐵鋰作為我司鋰電主機電芯的根本原因之一。

             

            3、壽命

             

            磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池壽命長,這在業內也是有一定共識的。電池的壽命是指什么意思?其實不是大家通常理解的用幾年的問題。電池壽命制約因素主要包括循環充放電次數、負載實際功耗與使用頻率等。

            2018年有研究機構測試,磷酸鐵鋰電池循環5000次剩余容量84%,三元鋰電池循環3900次剩余容量66%,循環壽命方面進行比較,磷酸鐵鋰優勢明顯。如果把剩余容量/初始容量=80%作為測試結束點,目前磷酸鐵鋰電池實驗室1C循環壽命在3500次以上,部分達到5000次,而三元鋰電池實驗室1C循環壽命在2500次左右。這個剩余容量80%其實是正常產品標稱指標,有廠家喜歡在反復充放電次數上虛標,其實就是在剩余容量百分比上弄虛作假。而實際部署電池系統,配置的電芯容量越大、負載功耗越低、使用頻率越低,自然電池的壽命也越長,但磷酸鐵鋰壽命長的優勢是明顯的。

            磷酸鐵鋰電池壽命普遍比三元鋰長50%甚至100%,那么,與傳統的鉛酸電池(膠體電池)比較又如何呢?以普通車用電瓶為例,大多壽命標稱2年,實則循環充放電次數僅300-500次,按照這種參數簡單推論,磷酸鐵鋰電池壽命10年以上了。之所以新竹科技主機選擇磷酸鐵鋰電芯,另一個主要原因就源于壽命。要知道,系統壽命即使僅僅長3倍,鋰電太陽能系統相較傳統“便宜”的以鉛酸電池為核心的太陽能系統,就可以達到其造價三倍達到的壽命(同樣的功耗和使用頻率,如果鉛酸電池系統壽命1-2年,則磷酸鐵鋰系統壽命會在5年以上),在長期使用的性價比方面,可謂優勢明顯!

             

            4、價格

             

            目前,磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池價格稍貴,新竹科技認為主要是因為技術研發投入大和量產的“量”多少的原因。

            據報道,2019年中國電動汽車市場鋰電總裝機量達62.82GWh,同比增長10.82%。從技術路線看,NCM三元電池的裝機量為占比63.88%;磷酸鐵鋰電池實現裝機占比33.64%。其中,寧德時代以32.07 GWh的裝機量位居國內第一,占比51.05%;比亞迪以10.92 GWh的裝機量位居第二,市占率為17.38%。去年,寧德時代磷酸鐵鋰電池裝機量約11.47 GWh,占比為36%;NCM三元電池占比為64%。也就是說,寧德時代既是中國最大的磷酸鐵鋰廠商,也是中國最大的三元電池廠商。比亞迪去年的磷酸鐵鋰裝機量占其總裝機量的27%,NCM三元電池占比也為壓倒性的73%。兩家巨頭均對兩種電池技術路線并行發展,且目前都以三元電池為主。自然,量產規模更大的三元鋰更有價格優勢。

            但是,從長期趨勢看,受制于金屬交易市場的價格,磷酸鐵鋰的價格會越來越有優勢。鋰電池的金屬元素中,鈷(Co)最貴,并且地球存儲量不多(剛果占近一半,全球探明儲量約710萬噸),鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)存儲量較多,正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,采用磷酸鐵鋰LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是挺便宜的,它的另一個特點是對環境環保無污染。明星車企特斯拉也在商討無鈷電池裝車的問題,就是一個明證。

            越來越便宜的磷酸鐵鋰將在性價比方面超越三元鋰,新竹科技將參與并見證這一進程。

            比較磷酸鐵鋰和三元鋰,體積重量方面,也是后者占優,低溫充放電特性三元鋰也要更好一些,但我們相信,隨著研發投入加大和技術升級,磷酸鐵鋰在這些方面會逐漸趕上三元鋰,并在性價比方面超越。

            新竹科技的iPower各系列鋰電太陽能主機系統,應用場景很多是地廣人稀的高山、河流、荒漠與海島等,并且常常是無人值守的。其安全性要求較高,務必保證不會發生自燃等極端事故發生,所以,磷酸鐵鋰自燃成為我司首選。選用新竹的鋰電太陽能系統,壽命是同等鉛酸電池太陽系統的3-5倍,一套頂幾套,這也是我們選用磷酸鐵鋰電芯的核心邏輯之一。也就是說,雖然傳統鉛酸電池(膠體電池)太陽能系統較便宜,但性價比上iPower鋰電太陽能顯然更高!

            傳統鉛酸電池的太陽能供電系統一般由控制器、逆變器、電池組等多個部件拼湊而成,連接麻煩,部署不便,安裝維護更是繁瑣。新竹科技推出的iPower鋰電太陽能系統,將控制器、逆變器、鋰電電芯以及電源控制管理系統等集成為一體,還增加了過載保護、過壓保護、過流保護、高溫保護、低溫保護、過充保護六大保護功能,使系統更安全。同時,系統的部署、安裝與維護也都極大的簡化了,大大減少用戶的使用維護成本。

            新竹科技始終堅持“創新使世界更美好”理念,一直秉持“高性能、高品質、高可靠性”三高產品設計生產理念做讓用戶放心的好產品,在鋰電太陽能供電系統上也是如此。綠色、清潔、環保的太陽能對于廣大IT&DT及智能化行業來說是理想的能源,為了讓綠色青山永遠是金山銀山,做鋰電太陽能我們會堅守這一初心,努力做更好的產品服務用戶!


             

             

             

             


             

             

             

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