三元 VS 磷酸铁锂,谁才是国内动力电池界的“一哥”?

http://www.qipei.hc360.com2021年01月07日10:11 来源:中国化学与物理电源行业协会T|T

    提到磷酸铁锂,相信大家并不陌生,但受限于当时的电池技术和国家补贴政策,磷酸铁锂一直在新能源商用车和储能领域发光发热。

    近年来,是什么让磷酸铁锂又重新回到乘用车领域,与三元争“一哥”呢?下面,就让我们就来扒一扒这其中的原因。

    什么是“磷酸铁锂”和“三元”?

    两款电池的的负极、电解液及隔膜等均类似,最大的区别在于正极材料,并以此取名。

    三元电池有NCM和NCA两类。NCA镍钴铝电池,主要应用于圆柱电池中,例如特斯拉。而国内绝大部分车型都采用NCM镍钴锰电池。

    三元常见的表达方式还会在NCM后加一串数字,例如NCM523、NCM811等,代表了镍钴锰在材料中的大概比例。

    两款电池在性能上有何差别?

    受结构影响,磷酸铁锂和三元在性能方面各有优劣,我们从大家最关心的几个点依次分析:能量密度、快充性能、循环寿命、安全性、成本。

    能量密度:

    对于用户来讲,续航里程是首要关注点。在其他因素相同时,能量密度越高,意味着续航里程越长。

    从电芯层面来讲,三元电池能量密度更高。磷酸铁锂正极材料的额定电压、理论比容量(mAh/g)均低于三元电池,且其能量密度已开发到“天花板”。

    而三元NCM电池还可以通过提高Ni元素比例,进一步提高实际比容量(mAh/g),提高电芯能量密度。

    快充性能:

    快充时间,尤其是低温快充,作为制约电动汽车发展的关键因素之一,也是改善用户用车体验的关键点。

    理论上,三元电池有优势。其二维的锂离子脱嵌通道与均衡的电解液设计,使得在充放电过程中,锂离子可以在一张面上快速移动脱嵌,充电速率自然就快了起来。

    而磷酸铁锂结构因其一维的锂离子脱嵌通道,和侧重高温性能的电解液设计,导致其锂离子迁移速率慢,尤其是低温充电速率慢。这一特性直接影响了其在乘用车领域的应用。

    循环寿命:

    理论上,磷酸铁锂在寿命方面存在优势。其橄榄石晶体结构更稳定,膨胀更低、电化学反应更稳定。

    安全性:

    磷酸铁锂电池在安全方面具有无可比拟的优势。其正极电压低,不存在类似于三元的释氧热链式反应,热稳定温度可以达到300℃以上,而三元电池在150-200℃左右。

    经济性:

    价格上,目前磷酸铁锂LiFePO4有明显优势,原材料相对价格便宜,国内产业链相对成熟。

    而想要降低三元NCM(LiNixCoyMn1-x-yO2)电池价格,钴元素是关键。钴主要是伴生矿,产量少且分布不均,全球钴矿主要集中在刚果(金),澳大利亚、古巴等地,约占全球储量的80%,2018上半年刚果(金)政局变动便造成钴价大幅波动,价格持续高涨。

    粗略比较,磷酸铁锂要比三元价格便宜0.1~0.2元/Wh。对于一个50kWh电池包,仅电芯就可降本近0.5~1万元。这对整车生产厂商和用户都是一个不小的吸引点。

    简单说,三元在能量密度、快充速度方面有优势,磷酸铁锂在循环寿命、安全、经济性上有优势。

    但在电动汽车发展前期,电池包能量密度<140Wh/kg,整车NEDC续航里程大多低于300km。当时影响电动汽车发展的瓶颈在于续航里程,且有国家补贴政策支持,可弥补经济性的不足,所以三元锂电池是首选。

    为什么磷酸铁锂重返乘用车领域?

    随着国家新能源补贴政策的退坡,新能源汽车要开始与传统燃油车赤身拼搏,各整车生产厂商都面临巨大降本压力。与此同时,磷酸铁锂电池被人诟病的能量密度和充电缺点,也在随着技术的发展得到改善。

    能量密度方面:随着CTP(CelltoPACK),即是电芯直接集成为电池包技术的成熟,更高效电池包集成、更低整车能耗,磷酸铁锂车型的续航,已有能力提升至400km甚至500km以上。

    充电方面:随着电芯快充、热管理、充电桩技术的发展,应用于乘用车的磷酸铁锂电池也基本可以做到与主流三元相同的快充速率。

    成本方面:国家补贴政策退坡,NCM811电池虽降低了钴含量降低成本,但工艺复杂,现阶段生产成本较NCM523无明显优势。此时成本更低、寿命更长的磷酸铁锂电池,自然被更多车企选择,成为主流趋势。

    1)磷酸铁锂电池,充分发挥其在成本、寿命及安全方面优势主打中低端的车型和运营车,续航在400km左右。

    2)三元依赖于其高的能量密度、更快的快充速度、更长的续航里程,主打中、高端车型,续驶里程≥500km。

    根据市场端需求定位规划,为用户购车提供了更多的选择,不存在谁替代谁。相信今年一定陆续会有很多经济型的磷酸铁锂和高续航的三元车型上市。

    至于特斯拉,在国内大概率会采用CATL的磷酸铁锂电芯,而“cobalt free”是否是要进一步减低三元电池中钴元素含量,研发新一代电池,还耐人寻味,让我们拭目以待!

责任编辑:范良

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