三元电池安全性的纷争，能否成就磷酸铁锂电池的逆袭吗？
来源：宝鄂实业
2019-03-31 18:18
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据不完全统计，2018年国内发生的新能源汽车起火事故已超过30起。安全事故频发使得整个新能源汽车行业开始关注自燃背后的技术问题，众多调查都将事故的起因指向了动力电池。
对此有专家表示，这是行业近期片面追求能量密度的结果。因为电池在充放电时，不当的操作或者电流过大等都会导致电池温度过高，若遇上剧烈碰撞，电芯内部会出现短路现象，极易引发电池的自燃。这时，能量密度不高但安全性却让人放心的磷酸铁锂电池，再次收获了关注。
在我国新能源汽车的发展之初，磷酸铁锂电池占据着动力电池的主技术路线。数据显示，2015年磷酸铁锂电池和三元锂电池的装机量占比大约为7:3，2016年这个数据变为6:4，虽然2017年客车补贴退坡，电动客车产销量下降，但两者仍基本持平。而随着国内新能源汽车对续时里程的要求逐渐增加，使得能量密度更大的三元锂电池迅速赶超磷酸铁锂电池的市场占比，进入2018年后，仅半年时间，三元锂电池就完成了反超。
受能量密度的制约，磷酸铁锂电池市场需求低迷
近两年来，新能源汽车市场的主要增量来自于乘用车市场，根据新能源汽车补贴新政要求，汽车补贴将与续时里程及能量密度挂钩。补贴政策的导向和乘用车装机电池对于能量密度的高要求，使得磷酸铁锂电池市场占比下滑，装机量萎缩。但一些不追求高续航的细分车型还是会选择性的使用磷酸铁锂电池，比如说用于城际通勤的乘用车。
数据显示，今年前三季度，我国电动乘用车总装机量为16.06GWh，其中三元锂电池占比87%，为13.98GWh；磷酸铁锂电池占比12%，为1.92GWh。
四个月前，三元锂仍占据着动力电池市场的绝对优势。数据显示，我国新能源汽车市场动力电池7月装机量为3.34Gwh，同比增长29.01%。其中三元锂电池装机量为2.35Gwh，占比达70.26%；磷酸铁锂电池装机量为0.93Gwh，占比为27.81%。
电池的能量密度指的是电池平均单位体积或质量所释放出的电能，为什么会如此备受关注呢？原因大致有两个：
一是钱；按照今年6月补贴新政的要求，新能源汽车电池系统能量密度的补贴门槛为105Wh/Kg，其中105（含）-120Wh/kg的车型按0.6倍补贴，120（含）-140Wh/kg的车型按1倍补贴，140（含）-160Wh/kg的车型按1.1倍补贴，160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴。
二是续时里程；对于电动汽车、尤其是乘用车来说，电量的多少决定着车辆续时里程的长短，而电池的能量密度则直接影响着电池包的电量，可以说是续时里程的直接决定因素了。
常见的三元锂电池单体电芯为200Wh/kg，电池系统能量密度约在140Wh/kg；而此前磷酸铁锂电池单体电芯能量密度约在140-150Wh/kg，电池系统能量密度约为110－120Wh/kg。就是这种差距，使得磷酸铁锂电池的市场需求迅速低迷，装机量下降，也使得磷酸铁锂材料产能严重过剩、价格不断下跌。今年年初磷酸铁锂材料的主流价格为9万-9.5万元/吨，目前这个数字为6万-7万元/吨左右，下降了约30%。
补贴新政实施，磷酸铁锂市场占比和装机量稳步提升
不过“三元独霸一方，铁锂日渐式微”的状况并没有维持太久，今年7、8两个月，磷酸铁锂电池装机量逐渐提升，尤其是在乘用车领域。公开数据显示，8月份我国动力电池产量共6.69GWh，其中三元电池产量3.78GWh，占产量总比56.51%，磷酸铁锂电池产量2.83GWh，占产量总比42.35%，两者均占据绝对主体地位。从今年前8个月的电池市场发展情况来看，补贴新政实施后，磷酸铁锂电池在新能源乘用车和专用车的搭载比重皆有所增加。
9月份数据变化更加明显，当月我国新能源汽车动力电池装机量高达6.01GWh，同比增长66.32%。其中三元锂电池占比59.8%，为3.59GWh；磷酸铁锂电池占比39.2%，为2.35GWh。
一系列的回暖迹象使得磷酸铁锂重获追捧，除了技术路线扩大之外，储能市场的发展也是带动磷酸铁锂增长的重要因素。
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。
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GTM Research的储能报告显示，2018年锂离子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。
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。
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。
随着磷酸铁锂的回暖迹象愈发明显，业内对此也诸多争议。争论的焦点之一是安全问题。一般情况下，单体电芯单位空间聚集的能量越多，瞬间爆发出来的危害性越大，安全性越低。所以能量密度较低的磷酸铁锂电池的安全性相对于三元锂电池略高一些。
从技术方面来讲，磷酸铁锂电池提高能量密度的方式主要是提高电池整体成组效率。而成组效率越高，电池内安全部件越少。
但根据政策的规划，2020年国内锂离子动力电池单体能量密度要达到300Wh/kg，争取达到350Wh/kg。随着镍含量的提升，对电池模组的抗振、抗冲击、抗膨胀、绝缘隔热等性能也提出了更高的要求。虽然目前磷酸铁锂电池单体电芯能量密度能做到180Wh/kg，但仅处于试验阶段，产品的稳定性还需要进一步的实验和验证，离批量上市还有很长的一段路要走。
不过，汽车市场体量大且应用场景多样化，商用车、卡车等更多的会采用磷酸铁锂电池，乘用车、轿车会偏向于三元锂电池。未来电池市场的发展的将由技术路线、价格机制等多维度的市场选择来决定。
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磷酸铁锂电池：是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其特色是不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题。其工作电压适中（3.2V）、单位重量下电容量大（170mAh/g）、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高。
优点相比目前市面上较为常见的钴酸锂和锰酸锂电池来说，磷酸铁锂电池至少具有以下五大优点：更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属（原材料成本低）、支持快速充电、工作温度范围广。
缺点磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低；材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差；产品一致性差；知识产权问题。
三元聚合物锂电池：正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料的锂电池。据清华大学欧阳明高解释：本次调查中所称的"三元"材料，指的是正极是三元，负极是石墨的通常说法中的"三元动力电池"。而在实际研发应用中，还有一种正极是三元，负极是钛酸锂的，通常被称为"钛酸锂"，其性能比较安全，寿命比较长，不属于普通所说的"三元材料。"
优点三元锂电池能量密度高，循环性能好于正常钴酸锂。目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。
缺点三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等，由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致高温安全性差，且pH值过高易使单体胀气，进而引发危险，目前造价较高。
导读：对比之下，三元聚合物锂电池的确有着更优于磷酸铁锂电池的特质，然而为什么它的发展却受到了阻碍呢？新能源汽车的发展关键，同样是困扰着移动数码产品的关键——电池的发展。如何在安全的情况下保证电池技术能够满足消费者日益成长的需求，不仅是汽车科技相关行业人员，还是科研工作者在全领域的追求。
说到要买新能源汽车，可能大部分的消费者第一时间想起的是“政策优惠”，虽然这有点尴尬但确实是相当实在的原因。在国内的销售环境中，新能源汽车要打开局面，可不仅仅是因为“环保”这样的任重道远的使命感。新能源车在售价和养护成本上的优势的确吸引了大部分现阶段仍然以用车成本为主的消费者的喜爱。
然而可能某些消费者的脚步会因为某些原因暂时停下对新能源车的好奇，这是因为多少都会被新能源车各种自燃的事件心有余悸。而这也正是笔者今天为什么要写这篇文章的原因。须知道不了解新能源车的根本--能源模块的优劣，而且不了解使用过程中需要注意的事项的话，其实和买一颗定时炸弹放在身边并没有什么不同。
磷酸铁锂电池：业已成熟却还不够
磷酸铁锂电极材料是目前最安全的锂离子电池正极材料，加上其循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次的循环性特点，再加上由于产业成熟而带来的价技术门槛和技术的下降，使得很多厂商出于各种因素考虑都会采用磷酸铁锂电池。可以说新能源汽车的兴起，和磷酸铁锂电池有着不可或分的关系。
不过，磷酸铁锂电池有一个致命性的缺点，那就是低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。研究表明，一块容量为3500mAh的电池，如果在-10℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至500mAh，基本就报废了。这对于我国幅员辽阔，冬天低气温的确较多的综合国情来说，的确不是一件好事。
此外，材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差，这也是导致很多纯电动汽车续航能力并不能达到标称值的重要原因。因此，我们可以看到国内有不少的新能源汽车（无论是纯电动还是混合电动），或者是一些比较廉价的新能源汽车，会出于不同的原因选择磷酸铁锂电池。可以说，磷酸铁锂电池的使用，对于新能源汽车量产落地以及推广，都有着不可磨灭的奠基作用。
对比之下，三元聚合物锂电池的确有着更优于磷酸铁锂电池的特质，然而为什么它的发展却受到了阻碍呢？
三元聚合物锂电池：不安分的未来
三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料的锂电池，三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。三元锂电池能量密度更大，但安全性经常受到怀疑。
之所以会有这样的原因是即便这两种材料都会在到达一定温度时发生分解，三元锂材料会在更低的200度左右发生分解，而磷酸铁锂材料是在800度左右。并且三元锂材料的化学反应更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，发生连锁反应。说简单点，就是三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。不过需要注意的是，我们提到的是材料，而不是已经成为成品的电池。
正因为三元锂材料有这样的安全隐患，所以厂商也在努力往抑制产生事故的方向走。根据三元锂材料容易热解的特性，厂商在过充保护（OVP）、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）、过流保护（OCP）这几个环节上都会下不少的功夫。所以自燃事件更多是应该考量厂商在这几个环节的功能是否落实到位，而不是简单的因噎废食。
那么这两种电池现在的使用情况又是怎么样的呢？让我们来关注一组数据。去年11月，磷酸铁锂电池的电动大巴装机量占到了64.9%，三元锂电池装机量只有27.6%。相反，在纯电动乘用车市场，三元锂电池在去年11月的装机量超过76%。
可以看出，三元锂电池自身能量密度更大的优势，应该是要作为未来汽车新能源存储设备而生的。而现在发生相关的安全事件，在新能源汽车的普及仍然处于初级阶段的时候，可以称得上是一件好事。很多新能源汽车相关企业为了能够完成抢占市场和获得政策支持的双重目标，放宽技术要求，大量生产经不起长时间反复使用的能源组件。汽车工作的环境是严苛的，长时间使用这些零部件，发生安全事故的原因难免大大增高。
因此我们可以认为在中国电动车百人会上工业和信息化部装备司司长张相木发表要对三元锂电池客车的安全性能进行评估，是国家有关部门有意从政策层面上进行一次标准的界定，以促进行业标准的产生。无论是对于消费者还是厂商，在未来都有着相当积极的意义。因此没有必要因为在网上片面地看到三元锂电池的安全事故消息就裹足不前，材料都是会有危险的，关键在于如何牢牢地控制。
不同类型新能源车的电池：统一要求
说完了电池的情况，笔者认为对于新能源汽车的情况，还需要和大家简单介绍一下电池在车辆中的作用。毕竟购买纯电动汽车的消费者仍然占少数，更多朋友所关注的是混合动力汽车。而混合动力汽车严格来说可以分成三种：普通混合动力汽车，插电式混合动力汽车和增程式混合动力汽车。
上面三种汽车中电池容量的排列从小到大恰好是普通混合动力汽车＜插电式混合动力汽车≤增程式混合动力汽车。普通混合动力汽车的电池不可充电，电池用于启动和急加速状态；插电式混合动力汽车的电池在普通混合动力汽车电池的基础上增大容量且可充电，具备更加出色的加速能力和省油能力；而增程式混合动力汽车的发动机用于驱动电机发电，更倾向于纯电动汽车。
这三种混合动力汽车模式各有利弊，在现阶段的主力也是以普通混合动力和插电式混合动力为主。正是因为三种混合动力汽车的特质均有对于电池寿命和工作环境的共同点，因此无论是购买采用何种模式的混合动力汽车，消费者都要留意相关的参数，如电池材质、使用环境和最佳工作状态等。与此同时，厂商也应该在设计过程中严格把控电池质量和相关安全设置，确保使用的安全高效。
新能源汽车的发展的关键，在于其使用体验是否能够媲美甚至超越传统的内燃机汽车，同时在购买与售后环节中是否有更加出色的优势。在笔者看来，新能源汽车的发展关键，同样是困扰着移动数码产品的关键--电池的发展。如何在安全的情况下保证电池技术能够满足消费者日益成长的需求，不仅是汽车科技相关行业人员，还是科研工作者在全领域的追求。
