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简评三元和铁锂之争[3P]

[font=微软雅黑][size=5]电动汽车虽然诞生时间早于燃油车，但由于种种原因未实现真正的产业化，其中一个最重要的因素是动力电池技术的制约。经过近十年的大力发展，电动汽车目前已经到了产业化的前沿，动力电池的技术进展也自然而然的引起更为广泛的关注。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]特别是最近一段时间，随着国家新能源汽车补贴政策的大幅度退坡，各种不确定因素相互撞击，动力电池技术路线花样百出，更是引起了人们的关注和困惑。这里笔者根据自己多年从事新能源汽车锂离子动力电池方面工作的经验，谈一些粗浅的看法。[/size][/font][font=微软雅黑][size=5]
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[/size][/font][img]https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11581724842/1000[/img]

[font=微软雅黑][size=5]文 / 徐兴无 国轩高科工程研究总院常务副院长[/size][/font]
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[b][font=微软雅黑][size=5]市场是评价技术路线的最高标准[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5]谈到技术路线，首先，我们必须明确判断技术路线正确与否及优劣的标准。[b]这个“标准”究竟是什么呢？[/b][b]毋庸置疑，是市场。[/b]也就是说，凡是能满足市场需求而被市场选择的技术路线就是正确的技术路线。反之就不是一个好的技术路线。尤其对那些吸引眼球的伪技术路线，不管表面多么光鲜，宣传力度多大，舆论多么推崇，最终都会被市场无情唾弃。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]简单地说，[b]市场对电动汽车的要求无外乎以下几个方面[/b]：1、要有足够的续行里程，以满足出行的需要；2、电池要和整车等寿命，全寿命期间换一块电池，消费者是不买单的；3、安全始终是第一位的；4、真正产业化，即无补贴时消费者也买得起、用得起；5、充电方便；6、其它如功率性能、高低温性能等满足客户要求；7、要可持续发展。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]关于市场对电动汽车的需求，其实我们普遍的了解都是片面的。[/b]比如说[b]续行里程[/b]。一般认为，电动汽车的续行里程只有达到充一次电可以行驶600公里以上时，才可以和燃油车进行市场竞争。随后一个简单地逻辑，就是必须提高电池的能量密度。为此，世界各国都制订了电池能量密度提升的技术路线图。我国的能量密度提升目标是：2020年达到300Wh/Kg， 2025年达到400Wh/Kg，2030年达到500Wh/Kg。同时，补贴政策也在向高能量密度的电池倾斜。在这样一个导向下，[b]整个产业都在盲目追求电池的能量密度，整车的续行里程。[/b]因此，三元电池似乎是最佳的选择，但是真相确实如此吗？[/size][/font]
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[b][font=微软雅黑][size=5]三元电池是最佳选择吗？[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5]三元材料是指含镍、钴、锰的锂离子正极材料。根据镍钴锰（NCM）的比例又分为111, 523, 622, 811等材料。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]一般来说，镍含量越高的材料其克容量就越高。所以为了追求高能量密度，三元材料也在向镍含量越来越高的材料如8系甚至9系的方向发展。[b]但是，三元材料由于其热失控温度低、反应释放氧气等原因，安全性较差。[/b]且镍含量越高安全性就越差。这是理论和试验数据都充分证明了的。近年来装载三元电池的电动汽车在实际应用中频频发生安全事故也印证了这一点。这是我们在往高能量密度之路迈进时遇到的第一个重大障碍。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第二个重大障碍就是成本。[/b]三元材料由于含资源较稀少的金属元素，如钴、镍等，价格比较高。况且，根据美国地质勘探局（USGS）的公布的数据，目前全球钴矿资源储量只有687.5万吨，镍资源储量8100 万吨：[/size][/font]
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[font=微软雅黑][size=5]表1 | 全球钴矿资源储量687.5万吨（USGS）[/size][/font]
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[/size][/font][img]https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11581724844/1000[/img]

[font=微软雅黑][size=5]表2 | 全球镍矿资源储量8100万吨（USGS）[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]按照全球规划的新能源汽车市场销售数量和趋势，假设全球电动汽车的年产销量为1500万辆，每辆纯电动车平均电量35Kwh，使用三元NCM622正极材料，则每Kwh含镍0.7Kg，含钴0.235Kg，每辆电动车约需24.5Kg镍，8.23Kg钴。按此计算，每年约消耗钴12.3万吨，687.5÷12.3=55.9年，每年约消耗镍36.7万吨，假设镍资源的40%用于电动车：（8100×40%）÷36.7=88年。也就是说，[b]约50年左右钴和镍的资源将会消耗得所剩无几。[/b]资源紧张又必然会造成价格的进一步上涨。这和市场化对成本的要求相距甚远。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]现在我们要问，[b]三元电池的技术路线能全面满足市场的要求吗？[/b][/size][/font]
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[b][font=微软雅黑][size=5]磷酸铁锂电池的优势[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5]还有一个选择就是磷酸铁锂电池。这里可以做一个全面对比分析。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]首先说安全性能。[/b]磷酸铁锂材料由于其铁氧八面体加磷氧四面体的框架结构，稳定性非常强，即使在过充的情况下也不会有氧气的释放，如图1所示：[/size][/font]

[font=微软雅黑][size=5]图1 | 磷酸铁锂材料的结构示意图。红色三维图为Fe-O八面体，绿色为P-O四面体，蓝色小球为锂离子。即使在过充电情况下，LiFePO4变成FePO4，其结构也是非常稳定的，无氧气放出。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]这就决定了磷酸铁锂电池的本征安全性。换句话说，[b]选择磷酸铁锂电池是天生安全的。[/b]这个结论可以得到多方面的证实。[b]一是安全性测试，[/b]特别是苛刻的针刺测试，磷酸铁锂电池是可以轻易通过的，而三元电池是极难通过的。尽管为了发展高能量密度电池，国家取消了针刺测试，但安全的风险仍然在那里。在最近的比亚迪刀片电池发布会上，针刺试验就成了一个非常典型的安全试金石。[b]二是在市场上的表现[/b]，以2019年多起安全事故统计数据为例，三元电池占60%，不明原因占35%，磷酸铁锂电池只占5%。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第二是循环寿命[/b][b]。[/b]粗略地说，造成二次电池循环衰减的主要因素有两个：[b]一是材料的结构稳定性，二是界面SEI膜生长。[/b]从图1可以清楚地看到，磷酸铁锂材料的结构是非常稳定的。同时，在循环过程中磷酸铁锂材料的表面不会生长SEI膜（只有少量SPI膜），而三元材料表面是有SEI生长的。大家都知道的钛酸锂电池，由于其表面没有任何膜的生长，其循环寿命可以达到数万次。所以从结构稳定性和SEI膜两方面来衡量，磷酸铁锂电池的循环性能是大大优于三元电池的。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第三是成本。[/b]一方面，由于铁和磷资源的丰富性，磷酸铁锂正极材料的价格大大低于三元材料的价格，且有可预见的稳定降低的趋势。这一点非常重要，因为它奠定了所选择技术路线能够长期可持续发展的基础。另一方面，基于安全性的考虑，三元电池在其它材料的选择上，以及在电池包的设计和制造上成本也较高。图2给出了磷酸铁锂电池和三元电池的综合成本及性能比较：[/size][/font]

[font=微软雅黑][size=5]图2 | 磷酸铁锂电池和三元电池综合成本及性能比较。蓝色方柱为磷酸铁锂，橘红色方柱为三元材料，依次为：电芯BOM成本、正极材料、负极材料、隔膜、电解液、电芯A品率、电池包成本、安全性能、循环性能。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]由图2可以看出，在综合成本方面磷酸铁锂电池有着明显的优势。[/size][/font]
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[b][font=微软雅黑][size=5]磷酸铁锂电池究竟能否满足能量密度的要求[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5]现在问题的关键是，磷酸铁锂电池能否满足市场对电池能量密度的要求。单从磷酸铁锂正极材料的参数来看，其能量密度似乎是有问题的。因为LiFePO4材料的理论克容量才172mAh/g，在全电池发挥约140～146 mAh/g，电压平台3.2V，压实密度2.2～2.4g/cc。而三元NCM622的全电池克容量约160mAh/g，电压平台3.65V，压实密度3.4g/cc。况且，三元材料还可以向高镍方向发展，克容量接近200mAh/g。相比之下，前者无论在重量能量密度还是体积能量密度方面都显得比较低。这就是关于磷酸铁锂电池能量密度有“天花板”观念的主要依据。[/size][/font]
[b][font=微软雅黑][size=5]但实际的情况并非如此。[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5][b]首先，[/b]磷酸铁锂材料本身仍还有一定的克容量提升空间。这里仔细研究其理论克容量172mAh/g的损失部分是很重要的，这样才能把磷酸铁锂材料的克容量进一步地提升。关于压实密度，在深入研究其影响因素的基础上，也可以进一步地提高。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第二，[/b]可以借助于负极材料性能的提升来提高磷酸铁锂电池的能量密度。比如使用针状焦为原料的人造石墨，就具有较高的克容量和压实密度。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第三，[/b]隔膜对提升能量密度也是非常重要的。一方面，由于磷酸铁锂电池具有先天性的安全优势，在隔膜的选择上可以使用较薄而具有高强度的隔膜。另一方面，通过技术的提升可以降低隔膜的高温收缩率以改善电池极片界面，也可以提升电池的容量。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第四，[/b]通过电芯结构件的优化（减重）也可以提升电芯的能量密度。（笔者所在的国轩高科目前已经把磷酸铁锂电芯的能量密度提升到190Wh/Kg）。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]第五，[/b]还是由于磷酸铁锂电池的先天安全性，在电池包的设计及制造方面可以通过简化设计及减重来大幅度地提升能量密度。目前该款190Wh/Kg的电芯已成功应用于多款纯电动车上，其电池包的能量密度可达到140Wh/Kg（带液冷），续行里程可达到400公里以上。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]表3是磷酸铁锂电池包和三元电池包能量密度的比较：[/size][/font]

[font=微软雅黑][size=5]表3 磷酸铁锂电池盒三元电池能量密度比较表[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]从表3可以看出，在电池包的层面上，磷酸铁锂电池可以达到三元622的能量密度。所以，所谓的磷酸铁锂电池有“天花板”而不能用于乘用车的论据就站不住脚了。[/size][/font]
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[b][font=微软雅黑][size=5]有无进一步提升空间[/size][/font][/b]
[font=微软雅黑][size=5]那么，[b]磷酸铁锂电池能量密度还有进一步的提升空间吗？回答是肯定的。[/b][/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]目前国轩高科磷酸铁锂B样电芯的能量密度已经做到了200Wh/Kg，电池包的能量密度可达160Wh/Kg，这可以和三元811电池相媲美了。但三元811电池由于其安全性没有得到很好的解决，使其目前在大规模应用方面处于举棋不定的状态，日韩等电池企业宣布暂缓使用NCM811材料就充分说明了这一点。[b]这也说明磷酸铁锂电池在能量密度上并不输于三元电池。[/b][/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5][b]关于磷酸铁锂电池进一步的提升空间，主要途径仍然为：[/b]（1）磷酸铁锂正极材料克容量和压实密度的提升；2）负极可以使用硅负极以及预锂化技术；3）隔膜优化及界面改善技术；4）厚极片半固态技术；5）电芯结构设计优化；6）电池包设计优化：包括CTP（宁德时代），刀片电池（比亚迪），高能量密度柔性“标准模组”技术（国轩高科）等等。通过这些技术进步磷酸铁锂电池的能量密度还可以继续提升。[b]预计今后10年内，磷酸铁锂单体电池的能量密度可以提升到260Wh/Kg以上，[/b]电池系统也可以达到200Wh/Kg以上。这样一来，克服了能量密度短板的磷酸铁锂电池就有着非常明显的优势。[/size][/font]
[font=微软雅黑][size=5]电动汽车迟早会进入无补贴时代，真正的产业化需要与之相适应的电池产品：安全、长寿命、低成本是基本要求，而市场一定会按照自己的规律选择合适的技术路线，……这样看来，三元和铁锂电池的路线之争，答案就已经很清楚了。[/size][/font]