三元锂电池能量密度接近极限 固态电池何时担起重任？
来源：宝鄂实业
2019-03-26 16:54
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目前纯电动汽车的发展一直受到电池能量密度低的桎梏。电池能量密度没有大的突破，纯电动车的续航里程就无法大幅提高，纯电动汽车的发展将智能依赖于政策支持，缺乏市场动力。
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所宣布，由其牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题已通过验收。这一技术进展将推动国内全固态锂电池的规模化应用。
业内人士表示三元锂电池目前的单体能量密度已经接近极限，很难再有大的突破。要想进一步提升三元锂电池的能量密度，就需要进一步提升电池中镍的比重。但是电池中镍的比重提升后，由于高镍的热稳定性很差，电池内部的热反应就会非常剧烈，安全问题令人担忧。
依靠三元里电池技术路线，动力电池能量密度要做到350Wh/kg的目标，难度很大。因此行业希望依靠固态电池进一步提升电池能量密度。固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，高温下表现良好，安全性更高。固态电池会大大降低电动车自燃的概率。
越来越多的国内外企业和研究机构将重心集中到了全固态锂电池上。大众曾宣布计划研发续航1000km固态电池;丰田汽车预计2022年完成固态电池的研发工作，并计划于2030年实现量产。
电解质材料是全固态锂电池技术的核心，目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好，已经有商业化的应用案例;氧化物循环性能良好，适用于薄月莫柔性结构;硫化物电导率最高，是未来主要方向。
不过，固态电池仍然面临一些技术难题。固态电解质具有高的电阻，在电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在技术挑战。今年5月，丰田表示期望在2020年以后能制造出固态电池，但若要实现固态电池的量产，还需要等到2030年以后。
动力电池选择磷酸铁锂电池好还是三元锂电池好?动力磷酸铁锂电池作为电动汽车、电动自行车、储能等新能源产业最重要组成部分，对进一步促进和提升企业的技术水平起关键作用，但是近几年来随着三元锂电池技术快速发展，给锂电池的产业带来了一定的冲击力。三元材料锂电池则有可能代替磷酸铁锂电池，成为汽车动力电池发展主流趋势。
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）。由于不含有贵重金属材料，磷酸铁锂电池的原材料成本就可以被压缩的非常低廉。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。
三元锂电池：
是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池。与磷酸铁锂不同，三元锂电池电压平台很高，这也就意味着在相同的体积或是重量下，三元锂电池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充电、和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势。
动力电池选择磷酸铁锂电池好还是三元锂电池好?
目前国内的动力电池主要分为两个派系，根据正极材料的不同分为磷酸铁锂派和三元材料派。小编觉得未来动力电池更多的还是会选择磷酸铁锂电池。
①在技术路线方面，越来越多的增程式电动汽车开始采用磷酸铁锂电池，不但能提高车辆的安全性，还可以降低整车制造的成本，助力增程式电动汽车扩大在新能源汽车市场的份额。举例来说，电池容量为25Ah、电压为48V的动力电池，磷酸铁锂电池和三元锂电池的最低市场报价一般为1020元和1210元。
②在储能市场方面，得益于一些动力电池企业开始布局储能业务，磷酸铁锂的市场需求开始扩增。据国际市场研究机构GTMResearch的储能报告显示，2018年锂电池价格下降幅度变缓，中国的电网侧储能项目的应用却使磷酸铁锂电池用量持续增加。
③另一方面，随着技术的不断提升，目前部分磷酸铁锂电池能量密度已达到三元NCM523的水平(主流的NCM523电池能量密度为160-200Wh/kg)，已基本达到补贴最高要求。且相较于三元锂电池，磷酸铁锂电池在稳定性方面更具优势。
④最后是补贴的大幅下滑，磷酸铁锂之所以在原材料的供应和价格方面具有低风险性，是因为不需要用到钴等贵重金属，这将有助于电池生产企业在一定程度上减少成本压力。
三元锂电池更适合家用电动汽车：
①不同于体积庞大的电动巴士，对于家用电动汽车来说，空间永远是第一位的。能量密度较低的磷酸铁锂电池将会占据原本就不多的汽车空间，并且由于更重的质量，在使用时的放电续航也会受到比较大的影响。相对而言能量密度较高的三元锂电池在解决重量问题的同时也为家庭用车节省出了空间。
②除了续航之外，充电也是电动汽车在实际使用中的重要环节，而三元锂电池在充电效率方面较磷酸铁锂电池有着非常大的优势。目前市面上较为常见的充电方式为恒流恒压式充电。一般在充电开始时先采用恒流充电，此时的电流较大，充电效率相对更高。而在电压达到一定数值之后，降低电流改为恒压充电，这样可以让电池充的比较满一些。
③足够安全的材料和工艺，传统内燃机汽车中危害最大的部分是蕴含巨大能量的燃料，像汽油这样燃点低易爆炸的液态燃料一旦泄露就非常容易造成极大的安全隐患。而新能源汽车的动力三元锂电池，经过完善的电池管理系统（BMS）监控，每一颗电池都能得到最准确的控制，预防事故的产生。
磷酸铁锂电池是公认安全性能最好的电池；其次，电池容量大，能量比更高；由于电池内阻小，还可直接降低电池的发热。磷酸铁锂电池和三元材料电池是新能源汽车所用的动力锂电池两大路径，前者应用于国内大部分新能源汽车，而后者则应用于特斯拉等车型。
综合：磷酸铁锂电池安全性、寿命、电池自身性能等方面因素，和三元锂电池在比容量高能量比上的特点，未来磷酸铁锂电池和三元电池的行业竞争将会持续并且越来越炙热化。
磷酸铁锂电池和三元锂电池的比较：
⒈能量密度比较
磷酸铁锂电池单体，能量密度为120Wh/kg，成组后为80Wh/kg；三元锂电池单体，能量密度为180Wh/kg，成组后能量密度为110Wh/kg。从数据上来看，在能量密度方面，三元锂电池优于磷酸铁锂电池。
⒉安全性
三元锂电池液态电解质易燃易爆，在长期使用过程中容易触发“热失控”，在充放电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜，引起电池短路，造成安全隐患。而磷酸铁锂电池在实际使用中具有耐高温、安全稳定性强、循环性能更好的优势。
⒊成本方面
由于磷酸铁锂电池不含有贵重金属材料，因此原材料成本就可以被压缩的非常低廉。而三元锂电池是以镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池，因此成本会比磷酸铁锂电池贵很多。
