新能源汽車鋰電池演變（一）

鋰離子電池的用途十分廣泛，因為特有的性能優勢，已經在電子時代得到普遍應用，比如說筆記本電腦、相機、手機等等。新能源汽車產業的出現，更是大大推動了鋰電池的發展，為鋰電池的應用打開了廣闊的前景。

一、汽車鋰電池的構成與分類

如果把汽車鋰電池看做是一道菜的話，那么完成這道菜就需要一些食材和配料，這些食材配料就是正極材料、負極材料、電解液、隔離材料和電池管理系統等。

根據外形、外包材料、電解液，鋰電池可以被劃分成很多類別。在這里，為了討論近年來鋰電池技術的演變趨勢，我們主要根據正極材料的不同，來討論汽車動力電池的兩種主流產品：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

二、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的對比

兩種電池都使用鋰元素，循環壽命也可以放心使用。但其正負極材料和電池管理系統卻有所不同，性能上的特點也大有差異。

所謂磷酸鐵鋰電池，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）。由于不含有貴重金屬材料，磷酸鐵鋰電池的原材料成本就可以被壓縮的非常低廉。

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。例如比亞迪，就專精這類電池。市面上還有一種叫做A123的鋰電池，這種電池實際上也是磷酸鐵鋰電池的一種。它主要在制造工藝上采用了納米工藝等，增加了電池充放電能力。我國萬向集團就收購了A123公司，進而收購了賴以該電池為動力基礎的菲斯克（Fisker）汽車公司。

而三元鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰做為正極材料，石墨作為負極材料的鋰電池。與磷酸鐵鋰不同，三元鋰電池電壓平臺很高，這也就意味著在相同的體積或是重量下，三元鋰電池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充電、和耐低溫性能等方面，三元鋰電池也有很大的優勢。特斯拉的Model S采用的松下18650組成的電池組就是三元鋰電池，單個這種電池比平常的5號電池要大一些。

1.能量密度與續航里程對比

相較于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池的能量密度大，電壓更高，所以同樣重量的電池組電池容量更大，車子跑的距離也就更遠，速度也能更快。特斯拉Model S充滿電的續航里程為400多公里。北汽EV200采用了來自韓國SK生產的三元鋰電池，理論巡航里程達到200km，而它的前輩車型EV150則采用了磷酸鐵鋰電池，續航里程僅為150km。

根據國內三元材料18650圓柱電池龍頭企業——比克電池提供的資料，其18650電池的能量密度已經達到了232Wh/kg，后續將會進一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前國內主流的磷酸鐵鋰電池能量密度也僅達到150Wh/kg左右。據國內電池行業專家剖析，未來幾年之內，磷酸鐵鋰電池的能量密度能夠達到300Wh/kg的希望非常渺茫。

2.空間占用對比

對于體積龐大的電動巴士而言，空間占用影響較小。但對于家用電動汽車來說，空間占用就顯得比較重要了。能量密度較低的磷酸鐵鋰電池將會占據原本就不多的汽車空間，并且由于更大的重量，在使用時的放電續航也會受到比較大的影響。相對而言，能量密度較高的三元鋰電池在解決重量問題的同時也為家庭用車節省出了空間。

3.低溫放電性能對比

三元電池和磷酸鐵鋰電池的在不同溫度下的放電性能如下圖所示。（“相對25℃容量”是指不同溫度條件下放電容量與25℃時放電容量的比值。該數值能夠準確反映出電池在不同溫度條件下續航的衰減，越接近100 %，電池表現越好。）

從圖中能夠看出，以25℃為基準常溫，兩類電池在55℃高溫下放電與常溫25℃下放電，放電容量幾乎沒有差別。但在零下20℃時，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比有比較明顯的優勢。

我國幅員遼闊，氣候復雜，從*北端的東北三省到*南端的海南諸島溫度變化非常豐富。以北京為例，作為電動汽車的主力市場，北京夏季* 高溫度在40℃左右，而冬季則基本保持在零下6℃左右，甚至更低。這樣的溫度區間顯然適合低溫性能更佳的三元鋰電池。而注重耐高溫性能的磷酸鐵鋰電池在北京的冬季會顯得有些乏力。

4．充電效率對比

除了續航之外，充電也是電動汽車在實際使用中的重要環節，而三元鋰電池在充電效率方面較磷酸鐵鋰電池有著非常大的優勢。

目前市面上較為常見的充電方式為恒流恒壓式充電。一般在充電開始時先采用恒流充電，此時的電流較大，充電效率相對更高。而在電壓達到一定數值之后，降低電流改為恒壓充電，這樣可以讓電池充的比較滿一些。在這個過程中，恒流充電容量與電池總容量的比值，稱為恒流比。它是衡量一組電池在充電過程中充電效率的關鍵數值。通常百分比越大說明在恒流階段充入的電量越高，也就證明該電池的充電效率更高。

從表中可以看出，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池在100以下Ah充電時，恒流比無明顯差距，100以上Ah充電時，磷酸鐵鋰電池恒流比例迅速降低，充電效率迅速降低。

5.成本對比

（1）研發成本

雖然三元鋰電池的理論壽命是2000次充放電循環，但在實際使用中，當進行900次的充放電循環后，電池容量就基本衰減到了55%。也就是說充滿電只能跑原來里程的一半。但如果每次電池充放電都控制在0%-50%或者25%-75%的循環中工作，不榨光電池的精力，即使經過3000次的充放電循環，電池容量基本還能能夠保持在70%左右。所以這需要非常優 秀的電池管理系統，也是特斯拉對自己的電池管理系統非常自豪的原因所在。

而磷酸鐵鋰電池不依賴電池管理系統，研發成本低。磷酸鐵鋰電池即便是經過3000次0- 100 %的充放電使用，容量也才會衰減到80%，所以磷酸鐵鋰電池的電池管理系統就沒那么復雜，也就進一步降低了整車研發成本。2015年，比亞迪純電動大巴車采用的就是磷酸鐵鋰電池驅動的。

（2）原料成本

相較于磷酸鐵鋰電池而言，三元電池需要用到更多的貴金屬，*主要的就在于鈷礦石。其實咱們國家的鋰礦、氧化鐵磷酸鹽儲量豐富，制造磷酸鐵鋰電池有優勢。而我國缺乏鈷礦，制造必須采用鈷元素的三元鋰電池會有些困難。所以，我國許多車企（包括電池企業）在早期階段，發展磷酸鐵鋰電池是很現實的。比如2015年國內主流的電池廠商生產的都是磷酸鐵鋰電池。當時，市面上采用三元鋰電池的電動車，動力電池基本都是國外品牌產品（日本松下，韓國SK等），價格也相應要比采用磷酸鐵鋰電池的車型（同級別）貴一些。

6.安 全性對比

三元鋰材料會在200度左右發生分解。并且化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，更會發生連鎖反應。而磷酸鐵鋰在700-800度時才會發生分解，不會像三元鋰材料一樣釋放氧分子，燃燒沒那么劇烈。

說簡單點，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。內部短路或是正極材料遇水，都會有明火產生。所以一般18650電池都會有一層鋼殼保護。特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，雖然進行了全方位的保護，但是在極端的碰撞事故中，起火隱患還是有的。

磷酸鐵鋰電池則要穩定許多，電池板就算是穿刺、短路也不會爆炸燃燒，遭到350℃的高溫也不會起火（三元鋰電池在200℃就扛不住了）。所以在安 全性能上，磷酸鐵鋰電池略勝一籌。

7.循環壽命對比

對于家庭用車來說，三元材料和磷酸鐵鋰動力電池的額定循環壽命都遠遠超過了實際用戶的使用習慣，因此在使用壽命上可以完全放心。以比克電池目前的高容量18650電池為例，在充放電循環1000次之后，電池容量依然能夠保持在*初的90%以上。假設新能源汽車平均2-4天一充電，取中間值平均3天一充電來計算，使用1年需要充大約120次電，循環壽命1000次使用完畢大約需要8年時間，這也基本超過了目前我國消費者平均的換車周期。

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