三元电池比起磷酸铁锂电池体积小重量轻吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-20 11:31
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电动车行业安全无小事，任何谨慎都不为过。围绕汽车动力电池，如何平衡续航和安全两大问题，再度成为业内探讨的话题。近来，持续多日的三元锂电池争议仍在发酵。为了让讨论更接近真理，头脑风暴正在持续。2015 年2 月26 日下午，在一家咖啡店内一场关于关于三元锂电池安全性的头脑风暴正在上演。事实上，电池路线之争由来已久，这次三元材料动力电池被单独暂停用于新能源客车，动力电池企业、整车厂、业界专家对此看法不一，甚至立刻激起众多的不同意见站队。
之所以会出现今天的暂用现象，究其根本还是因为有所选择余地。据了解，目前国内纯电动汽车的电池技术路线大体上分为两种：一种是三元电池，另外一种是磷酸铁锂电池。
从热失控温度来看，磷酸铁锂热失控温度高于三元体系（三元190℃，磷酸铁锂230℃），其正极材料安全性有优势。就装车单位的电池包来看，三元电池比起磷酸铁锂其体积小15% 以上、重量轻20% 以上，使用三元的车辆空间活用度更大。
数据显示，在全球范围内，三元锂电池目前占全球性锂离子电池市场的80% 以上。根据全球经营咨询专业公司ATKearney 的资料统计，整体锂电子二次电池两极材料市场中，93% 为三元电池材料，在需要较高的输出与安全性的电动汽车用电池市场上，占有率超过81%。
反观国内市场，2015 年国内动力电池出货量达15.7Gwh，其中磷酸铁锂电池仍占主导，占据市场近69% 份额；三元材料电池出货量占比27%。具体而言，在乘用车领域，电池类型则以三元材料为主，电池出货量达1.93Gwh；在客车领域，主要以搭载磷酸铁锂电池为主，占纯电动客车电池量的84%，对应三元材料电池仅占12.9%。
中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙表示，从2015 年动力电池的应用情况来看，规模达到200 多亿，70% 以上为磷酸铁锂，尤其客车占的比重较大，乘用车更多往三元发展。但2016~2020 年的新能源客车补贴政策提出了Ekg的要求，促使客车企业向三元锂转移。
误解还是真相？堵还是疏？
使用三元锂电池的新能源客车是否真的安全？这一问题想必正是那些提出暂停三元锂电池应用的人们的顾虑所在，从技术角度来说，三元锂电池材料的热失控温度确实低于LFP，容易引起火灾。
然而，自2011 年以后，国内发生的电动汽车起火事故的数量来看，实际上磷酸铁锂电池引起的起火事故比三元电池引起的事故多。据媒体报道统计，自2011 年至今，在中国境内发生的新能源车火灾事故22 起中，由磷酸铁锂电池引发的火灾共20 起，由三元电池引发的共2 起。
因此，新能源汽车的安全性并不能以单一材料来判断。这并不科学，也无依据。“中投顾问新能源行业研究员萧函也认为，安全性的标准不仅在于电池，还要关注电池成组的应用安全设计是否安全。“动力电池的应用安全是一个系统工程，在不能保证电池热失控完全不发生的情况下，要通过BMS（电池管理系统）、TMS、熔断保护、热障、结构集成等，在成组设计中设置多重的安全保证。因此，我们需要对电池的安全加以系统的重视，而不是孤立地讨论技术路线和安全。”
在讨论过技术路线的安全性后，作为新能源电动汽车产业链的一环，电池生产厂家无疑也是此次事件的“中枪者”之一。
按照动力电池行业发展的规律，一个电池厂的业务从新能源客车转到乘用车需要经过2~3 年左右的乘用车开发周期，对于已经进行了产线设备、人才储备等前期投资的电池厂而言，如果突然转向，极有可能造成其资金周转困难、行业冰冻的尴尬局面，电池厂甚至会面临生死存亡的危机。另一方面，“采用三元电池的部分客户已经向我们要求取消或延迟订单。”来自三元锂电池厂商的一位业内人士表示。
可想而知，这一“暂停”决定对于生产三元锂电池的企业而言，影响是巨大的。“暂停补贴”之下，以三元系电池为主导的动力电池厂商何去何从？另一方面，从整个行业发展来看，这也将影响新能源行业未来发展的方向。目前国内企业对三元锂电池的布局进入，业内人士担心，如果长时间将此事搁置，将会影响整个新能源电动汽车产业的发展和进步。
堵还是疏，并不是一个人、一个政策或是一个企业能够决定的，要想产业健康发展，必须在遵循市场规律的基础上，加以适度科学的宏观调控。的确，目前国内动力电池厂的三元电池产品的质量的确参差不齐，尤其是复杂的三元材料对工艺要求更高，且三元锂电池安全性能的提升需要动力电池企业和车企配合完成，但目前国内鲜有本土动力电池厂能够跨越这一门槛。这种“暂缓”的初衷是规范行业和市场，存在一定的必要性。
“安全问题的关注点不应该完全聚焦材料，电池的产热散热是更重要的方面。”王庆生表示，“三元材料和磷酸铁锂等其他正极材料都有各有利弊，光拿材料说安全性太片面，材料在不同环境、结构、体积、生产工艺等条件下有不同的应用结果，这是一个很大体系的工程。我们要做的是发挥电池材料的优势，屏蔽劣势。”
王庆生进一步解释，材料安全不安全不是从本身的物理指标判断，使用过程中怎么样控制好和使用好是最重要的。三元材料本身的氧化放热还原的温度和磷酸铁锂有一定的差别，但是不代表着磷酸铁锂材料氧化放热温度高就是安全的。研究电池的安全性是从热出发的，如果把电池本身设计产热非常低，散热又非常好，不论什么体积，用的什么材料，其实都是安全的。概念上的错误导致了大家认为三元材料不安全，磷酸铁锂也一样存在着隐患，所以研究材料的安全性是在结合材料的物化指标，研究相配材料和产热机理，散热机理，而不是材料安全不安全，这个无从谈起。
关于怎么提升三元材料电池体系或者各种体系电池的安全性，王庆生说，从材料选择到电池制作，PACK 成组分配，整个系统控制管理、充电管理和应用实施管理监控等各个环节组成一个大系统，系统里的每一个环节都能成为电池安全性的不稳定因素。所以，各个环节的技术提升，产品质量提升，工艺稳定性提升，这才是最重要的。
“各种材料都有不安全的因素，就材料本身，三元材料和磷酸铁锂材料发热热失控的时候，热分解的温度会有差异，三元在温度更低一些，磷酸铁锂材料可能会更高一些。另外，企业在做试验的时候，滥用的情况下，挤压做试验看到的结果是三元材料会短时间内发生更严重的结果。此外，安全保护措施也是十分重要的，如果有更好的安全保护系统，三元材料也可以实现更安全。”刘彦龙表示。
刘彦龙分析，从2015 年动力电池的应用情况来看，规模达到200 多亿，70% 以上为磷酸铁锂，尤其客车占的比重较大，乘用车更多往三元发展。但是2016 ～ 2020 年的新能源客车补贴政策提出了Ekg（单位载质量电能消耗量）的要求，促使客车企业向三元锂电池方向转移。
“传言中国化学与物理电源行业协会向政府建议取消三元电池属误传，不论是从产业发展，还是技术发展的角度看，三元电池依然是未来发展的方向。”刘彦龙亲自辟谣。
如何做好三元材料电池保护措施呢？在刘彦龙看来，首先是从电池制造的环节要采取一些措施，包括生产的环境、生产材料本身阀值以及含量控制；第二是生产品质监控，包括在线监控、一致性监控等。这样做成电芯以后，单个电芯一旦发生了问题，就不会引起周边电池或整个电池组连锁反应，以免造成更大的伤害；第三是电池在整车应用上要采取安全措施，一旦电池在使用过程中出现了问题，能让乘客有机会、有时间撤离。
“怎么来保证电池包的系统安全呢？”马俊峰讲到，“应该是从整车开始，在整车设计的时候电池包企业就要介入。从主动角度来说，安全问题，要将电芯、BMS（电池管理系统）、线速、系统设计等都结合在一起，这是需要我们做的技术。从被动角度来说，如果电池真出问题了，就要考虑如何保障车上的人安全逃离，所以在设计上要尽可能地延缓事故的蔓延速度。我们在考虑几项技术，一个是外部短路的管控，还有组间的隔离，某一个电芯一个组出了问题，就不能很快地蔓延到其他的地方；还有电池包对防火性能的处理，国际上有标准，什么情况下人员是在不同的事故环境下，从车内逃离出来，都是有标准的。”
马俊峰介绍，波士顿电池在之所以选择三元锂技术路线，是因为电动汽车有轻量化的发展方向，Ekg 指标已经决定了要寻找高能量密度的技术路线。从现在看，三元材料相对来说是可以量产、能源密度高、低温性能达到一定水准的材料，目前波士顿三元锂电池成组以后的能量密度可以达到125Wh/kg 左右。
“安全跟电池材料的关系不是很大，更重要的是应用的场景。”马俊峰说，“随着新能源汽车保有量一路狂奔，出事的几率也越来越大，因此反思电池安全问题是有必要的。从哪些角度可以保证我们现在这个行业发展会更好，怎么保证车辆不发生大事故，或者说即使是发生了着火、爆炸的事故，如何保证车上的人能够安全离开？这就需要考虑电池热管理方案。”
“电池的安全关键还是要看使用。电池的散热如果做得好，不管什么材料都相对安全。某些概念误解引发了对个别材料的偏见。我们应该要研究散热机理，加强热量管控，尽量将热量释放出去，电池才会更安全。”聂亮讲述了对三元电池的看法。
在聂亮看来，业界对安全性的夸大担心，造成了“暂缓三元材料使用”的局面，这也许还会吓跑投资者们。“我们要用事实说话，下一步的技术提升研究实践才是最重要的。”
聂亮说，首先要承认电池都存在不安定因素，哪怕做到1ppm，甚至0.3ppm，电池都有可能出现燃烧的情况。所以就要看电池PACK 了，做好PACK 就能防护好电池。在实际使用过程中，很多情况是车先烧起来，而不是电池先烧起来，这就需要对电池做好隔绝措施，如整车的内饰织物等。
“技术从来不是问题，就怕没有信心！”聂亮说，“新能源汽车行业发展需要一个积累过程，2016 年～ 2020 年这个阶段的发展很关键。新能源车辆在国家坚定的扶植下，终于迎来了曙光，行业、企业等都应保持信心，齐心协力解决发展中遇到的问题，一直走下去。”
“电池主要由四部分材料组成：正级，负级，电解液和隔膜。电解液一般是有机溶剂，也是最先着火的。业内争论安全问题，不应该在正级三元材料上，而是品质方面的管控。电池起火主要是里面的热量积聚在一起没有办法扩散出去，只要想办法尽快地把热量释放出去也可以做到很安全。”宋华杰说。
宋华杰介绍，比克电池最初主要发展磷酸铁锂电池，后来基于轻量化和能量密度两点考虑，逐步替换成三元材料。国家要求动力电池能量密度2020 年达到300wh/kg，靠磷酸铁锂比较困难，所以选择三元材料方向。比克电池成组以后能量密度约为120 ～ 130wh/kg。
关于安全性，宋华杰从三个部分进行了分析。首先，从单体的结构来说，做结构设计的时候要考虑电池一旦发生了失效，怎么能够自己保护，自己预防。举个例子，现在用的18650 电池，就设有一个防线，设计了CID，电流截流装置，一旦电流过大会自动断开。
第二，关于材料选择，可以通过对材料进行改性，以确保安全。比如电解液是最容易出事的，可以添加一些添加剂，通过研发，添加阻燃剂、增加陶瓷隔层，对正级添加一些稳定结构元素等。
第三，锂电池的生产过程是非常复杂的，需要注意几个工序中的问题。生产车间的温湿度和粉尘、金属异物，尤其是金属异物，会使制造过程中出现电池内短路现象，要知道电池最危险的就是内短路，发生了内短路正负级会解除导致电池失效。此外，电动车使用过程中不是单个电池，而是成千上万的电池进行串并联，进行DMS 设计的时候要进行温度管控，一旦哪个模组出现了问题，就能迅速进行报警，预警是DMS 需要加强的。电池做出来后，还要进行一系列的性能安全监测，而不是做完了就出厂。
同时，宋华杰希望相关部门加大监管，根据相关规定和标准对电池产品进行测试。并且要针对出现的问题制定一个新的标准，或者是对已有的标准及时进行修订，加严标准的控制，用以提升产品的品质和质量。
