三元電池安全性的紛爭(zhēng)，能否成就磷酸鐵鋰電池的逆襲嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-31 18:18
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據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年國(guó)內(nèi)發(fā)生的新能源汽車起火事故已超過30起。安全事故頻發(fā)使得整個(gè)新能源汽車行業(yè)開始關(guān)注自燃背后的技術(shù)問題，眾多調(diào)查都將事故的起因指向了動(dòng)力電池。
對(duì)此有專家表示，這是行業(yè)近期片面追求能量密度的結(jié)果。因?yàn)殡姵卦诔浞烹姇r(shí)，不當(dāng)?shù)牟僮骰蛘唠娏鬟^大等都會(huì)導(dǎo)致電池溫度過高，若遇上劇烈碰撞，電芯內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，極易引發(fā)電池的自燃。這時(shí)，能量密度不高但安全性卻讓人放心的磷酸鐵鋰電池，再次收獲了關(guān)注。
在我國(guó)新能源汽車的發(fā)展之初，磷酸鐵鋰電池占據(jù)著動(dòng)力電池的主技術(shù)路線。數(shù)據(jù)顯示，2015年磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的裝機(jī)量占比大約為7:3，2016年這個(gè)數(shù)據(jù)變?yōu)?:4，雖然2017年客車補(bǔ)貼退坡，電動(dòng)客車產(chǎn)銷量下降，但兩者仍基本持平。而隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車對(duì)續(xù)時(shí)里程的要求逐漸增加，使得能量密度更大的三元鋰電池迅速趕超磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)占比，進(jìn)入2018年后，僅半年時(shí)間，三元鋰電池就完成了反超。
受能量密度的制約，磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)需求低迷
近兩年來，新能源汽車市場(chǎng)的主要增量來自于乘用車市場(chǎng)，根據(jù)新能源汽車補(bǔ)貼新政要求，汽車補(bǔ)貼將與續(xù)時(shí)里程及能量密度掛鉤。補(bǔ)貼政策的導(dǎo)向和乘用車裝機(jī)電池對(duì)于能量密度的高要求，使得磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)占比下滑，裝機(jī)量萎縮。但一些不追求高續(xù)航的細(xì)分車型還是會(huì)選擇性的使用磷酸鐵鋰電池，比如說用于城際通勤的乘用車。
數(shù)據(jù)顯示，今年前三季度，我國(guó)電動(dòng)乘用車總裝機(jī)量為16.06GWh，其中三元鋰電池占比87%，為13.98GWh；磷酸鐵鋰電池占比12%，為1.92GWh。
四個(gè)月前，三元鋰仍占據(jù)著動(dòng)力電池市場(chǎng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)動(dòng)力電池7月裝機(jī)量為3.34Gwh，同比增長(zhǎng)29.01%。其中三元鋰電池裝機(jī)量為2.35Gwh，占比達(dá)70.26%；磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量為0.93Gwh，占比為27.81%。
電池的能量密度指的是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能，為什么會(huì)如此備受關(guān)注呢？原因大致有兩個(gè)：
一是錢；按照今年6月補(bǔ)貼新政的要求，新能源汽車電池系統(tǒng)能量密度的補(bǔ)貼門檻為105Wh/Kg，其中105（含）-120Wh/kg的車型按0.6倍補(bǔ)貼，120（含）-140Wh/kg的車型按1倍補(bǔ)貼，140（含）-160Wh/kg的車型按1.1倍補(bǔ)貼，160Wh/kg及以上的車型按1.2倍補(bǔ)貼。
二是續(xù)時(shí)里程；對(duì)于電動(dòng)汽車、尤其是乘用車來說，電量的多少?zèng)Q定著車輛續(xù)時(shí)里程的長(zhǎng)短，而電池的能量密度則直接影響著電池包的電量，可以說是續(xù)時(shí)里程的直接決定因素了。
常見的三元鋰電池單體電芯為200Wh/kg，電池系統(tǒng)能量密度約在140Wh/kg；而此前磷酸鐵鋰電池單體電芯能量密度約在140-150Wh/kg，電池系統(tǒng)能量密度約為110－120Wh/kg。就是這種差距，使得磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)需求迅速低迷，裝機(jī)量下降，也使得磷酸鐵鋰材料產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、價(jià)格不斷下跌。今年年初磷酸鐵鋰材料的主流價(jià)格為9萬-9.5萬元/噸，目前這個(gè)數(shù)字為6萬-7萬元/噸左右，下降了約30%。
補(bǔ)貼新政實(shí)施，磷酸鐵鋰市場(chǎng)占比和裝機(jī)量穩(wěn)步提升
不過“三元獨(dú)霸一方，鐵鋰日漸式微”的狀況并沒有維持太久，今年7、8兩個(gè)月，磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量逐漸提升，尤其是在乘用車領(lǐng)域。公開數(shù)據(jù)顯示，8月份我國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)量共6.69GWh，其中三元電池產(chǎn)量3.78GWh，占產(chǎn)量總比56.51%，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量2.83GWh，占產(chǎn)量總比42.35%，兩者均占據(jù)絕對(duì)主體地位。從今年前8個(gè)月的電池市場(chǎng)發(fā)展情況來看，補(bǔ)貼新政實(shí)施后，磷酸鐵鋰電池在新能源乘用車和專用車的搭載比重皆有所增加。
9月份數(shù)據(jù)變化更加明顯，當(dāng)月我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池裝機(jī)量高達(dá)6.01GWh，同比增長(zhǎng)66.32%。其中三元鋰電池占比59.8%，為3.59GWh；磷酸鐵鋰電池占比39.2%，為2.35GWh。
一系列的回暖跡象使得磷酸鐵鋰重獲追捧，除了技術(shù)路線擴(kuò)大之外，儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展也是帶動(dòng)磷酸鐵鋰增長(zhǎng)的重要因素。
在技術(shù)路線方面，越來越多的增程式電動(dòng)汽車開始采用磷酸鐵鋰電池，不但能提高車輛的安全性，還可以降低整車制造的成本，助力增程式電動(dòng)汽車擴(kuò)大在新能源汽車市場(chǎng)的份額。舉例來說，電池容量為25Ah、電壓為48V的動(dòng)力電池，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的最低市場(chǎng)報(bào)價(jià)一般為1020元和1210元。
在儲(chǔ)能市場(chǎng)方面，得益于一些動(dòng)力電池企業(yè)開始布局儲(chǔ)能業(yè)務(wù)，磷酸鐵鋰的市場(chǎng)需求開始擴(kuò)增。據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)GTM Research的儲(chǔ)能報(bào)告顯示，2018年鋰離子電池價(jià)格下降幅度變緩，中國(guó)的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的應(yīng)用卻使磷酸鐵鋰電池用量持續(xù)增加。
另一方面，隨著技術(shù)的不斷提升，目前部分磷酸鐵鋰電池能量密度已達(dá)到三元NCM523的水平(主流的NCM523電池能量密度為160-200Wh/kg)，已基本達(dá)到補(bǔ)貼最高要求。且相較于三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池在穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢(shì)。
最后是補(bǔ)貼的大幅下滑，磷酸鐵鋰之所以在原材料的供應(yīng)和價(jià)格方面具有低風(fēng)險(xiǎn)性，是因?yàn)椴恍枰玫解挼荣F重金屬，這將有助于電池生產(chǎn)企業(yè)在一定程度上減少成本壓力。
隨著磷酸鐵鋰的回暖跡象愈發(fā)明顯，業(yè)內(nèi)對(duì)此也諸多爭(zhēng)議。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一是安全問題。一般情況下，單體電芯單位空間聚集的能量越多，瞬間爆發(fā)出來的危害性越大，安全性越低。所以能量密度較低的磷酸鐵鋰電池的安全性相對(duì)于三元鋰電池略高一些。
從技術(shù)方面來講，磷酸鐵鋰電池提高能量密度的方式主要是提高電池整體成組效率。而成組效率越高，電池內(nèi)安全部件越少。
但根據(jù)政策的規(guī)劃，2020年國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池單體能量密度要達(dá)到300Wh/kg，爭(zhēng)取達(dá)到350Wh/kg。隨著鎳含量的提升，對(duì)電池模組的抗振、抗沖擊、抗膨脹、絕緣隔熱等性能也提出了更高的要求。雖然目前磷酸鐵鋰電池單體電芯能量密度能做到180Wh/kg，但僅處于試驗(yàn)階段，產(chǎn)品的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，離批量上市還有很長(zhǎng)的一段路要走。
不過，汽車市場(chǎng)體量大且應(yīng)用場(chǎng)景多樣化，商用車、卡車等更多的會(huì)采用磷酸鐵鋰電池，乘用車、轎車會(huì)偏向于三元鋰電池。未來電池市場(chǎng)的發(fā)展的將由技術(shù)路線、價(jià)格機(jī)制等多維度的市場(chǎng)選擇來決定。
時(shí)值技術(shù)大潮洶涌而至，沖擊著百年汽車產(chǎn)業(yè)隨之變革，培育新動(dòng)能、改造舊動(dòng)能亟為迫切，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，汽車產(chǎn)業(yè)中必將形成推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新動(dòng)力，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式隨之而生。
2019年4月17日，科技出行產(chǎn)業(yè)內(nèi)容服務(wù)平臺(tái)億歐汽車將主辦“新動(dòng)能時(shí)代 · GIIS 2019第二屆智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新峰會(huì)”，與引領(lǐng)汽車行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)企業(yè)共迎產(chǎn)業(yè)新趨勢(shì)，共創(chuàng)美好生活。
磷酸鐵鋰電池：是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其特色是不含鈷等貴重元素，原料價(jià)格低且磷、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會(huì)有供料問題。其工作電壓適中（3.2V）、單位重量下電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。
優(yōu)點(diǎn)相比目前市面上較為常見的鈷酸鋰和錳酸鋰電池來說，磷酸鐵鋰電池至少具有以下五大優(yōu)點(diǎn)：更高的安全性、更長(zhǎng)的使用壽命、不含任何重金屬和稀有金屬（原材料成本低）、支持快速充電、工作溫度范圍廣。
缺點(diǎn)磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低；材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差；產(chǎn)品一致性差；知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。
三元聚合物鋰電池：正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池。據(jù)清華大學(xué)歐陽明高解釋：本次調(diào)查中所稱的"三元"材料，指的是正極是三元，負(fù)極是石墨的通常說法中的"三元?jiǎng)恿﹄姵?quot;。而在實(shí)際研發(fā)應(yīng)用中，還有一種正極是三元，負(fù)極是鈦酸鋰的，通常被稱為"鈦酸鋰"，其性能比較安全，壽命比較長(zhǎng)，不屬于普通所說的"三元材料。"
優(yōu)點(diǎn)三元鋰電池能量密度高，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰。目前，隨著配方的不斷改進(jìn)和結(jié)構(gòu)完善，電池的標(biāo)稱電壓已達(dá)到3.7V，在容量上已經(jīng)達(dá)到或超過鈷酸鋰電池水平。
缺點(diǎn)三元材料動(dòng)力鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH值過高易使單體脹氣，進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn)，目前造價(jià)較高。
導(dǎo)讀：對(duì)比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢？新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵——電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費(fèi)者日益成長(zhǎng)的需求，不僅是汽車科技相關(guān)行業(yè)人員，還是科研工作者在全領(lǐng)域的追求。
說到要買新能源汽車，可能大部分的消費(fèi)者第一時(shí)間想起的是“政策優(yōu)惠”，雖然這有點(diǎn)尷尬但確實(shí)是相當(dāng)實(shí)在的原因。在國(guó)內(nèi)的銷售環(huán)境中，新能源汽車要打開局面，可不僅僅是因?yàn)?ldquo;環(huán)保”這樣的任重道遠(yuǎn)的使命感。新能源車在售價(jià)和養(yǎng)護(hù)成本上的優(yōu)勢(shì)的確吸引了大部分現(xiàn)階段仍然以用車成本為主的消費(fèi)者的喜愛。
然而可能某些消費(fèi)者的腳步會(huì)因?yàn)槟承┰驎簳r(shí)停下對(duì)新能源車的好奇，這是因?yàn)槎嗌俣紩?huì)被新能源車各種自燃的事件心有余悸。而這也正是筆者今天為什么要寫這篇文章的原因。須知道不了解新能源車的根本--能源模塊的優(yōu)劣，而且不了解使用過程中需要注意的事項(xiàng)的話，其實(shí)和買一顆定時(shí)炸彈放在身邊并沒有什么不同。
磷酸鐵鋰電池：業(yè)已成熟卻還不夠
磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料，加上其循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用，可達(dá)到2000次的循環(huán)性特點(diǎn)，再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價(jià)技術(shù)門檻和技術(shù)的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會(huì)采用磷酸鐵鋰電池?？梢哉f新能源汽車的興起，和磷酸鐵鋰電池有著不可或分的關(guān)系。
不過，磷酸鐵鋰電池有一個(gè)致命性的缺點(diǎn)，那就是低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報(bào)廢了。這對(duì)于我國(guó)幅員遼闊，冬天低氣溫的確較多的綜合國(guó)情來說，的確不是一件好事。
此外，材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差，這也是導(dǎo)致很多純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此，我們可以看到國(guó)內(nèi)有不少的新能源汽車（無論是純電動(dòng)還是混合電動(dòng)），或者是一些比較廉價(jià)的新能源汽車，會(huì)出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池?？梢哉f，磷酸鐵鋰電池的使用，對(duì)于新能源汽車量產(chǎn)落地以及推廣，都有著不可磨滅的奠基作用。
對(duì)比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢？
三元聚合物鋰電池：不安分的未來
三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。三元鋰電池能量密度更大，但安全性經(jīng)常受到懷疑。
之所以會(huì)有這樣的原因是即便這兩種材料都會(huì)在到達(dá)一定溫度時(shí)發(fā)生分解，三元鋰材料會(huì)在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。
正因?yàn)槿嚥牧嫌羞@樣的安全隱患，所以廠商也在努力往抑制產(chǎn)生事故的方向走。根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性，廠商在過充保護(hù)（OVP）、過放保護(hù)（UVP）、過溫保護(hù)（OTP）、過流保護(hù)（OCP）這幾個(gè)環(huán)節(jié)上都會(huì)下不少的功夫。所以自燃事件更多是應(yīng)該考量廠商在這幾個(gè)環(huán)節(jié)的功能是否落實(shí)到位，而不是簡(jiǎn)單的因噎廢食。
那么這兩種電池現(xiàn)在的使用情況又是怎么樣的呢？讓我們來關(guān)注一組數(shù)據(jù)。去年11月，磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)大巴裝機(jī)量占到了64.9%，三元鋰電池裝機(jī)量只有27.6%。相反，在純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)，三元鋰電池在去年11月的裝機(jī)量超過76%。
可以看出，三元鋰電池自身能量密度更大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該是要作為未來汽車新能源存儲(chǔ)設(shè)備而生的。而現(xiàn)在發(fā)生相關(guān)的安全事件，在新能源汽車的普及仍然處于初級(jí)階段的時(shí)候，可以稱得上是一件好事。很多新能源汽車相關(guān)企業(yè)為了能夠完成搶占市場(chǎng)和獲得政策支持的雙重目標(biāo)，放寬技術(shù)要求，大量生產(chǎn)經(jīng)不起長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)使用的能源組件。汽車工作的環(huán)境是嚴(yán)苛的，長(zhǎng)時(shí)間使用這些零部件，發(fā)生安全事故的原因難免大大增高。
因此我們可以認(rèn)為在中國(guó)電動(dòng)車百人會(huì)上工業(yè)和信息化部裝備司司長(zhǎng)張相木發(fā)表要對(duì)三元鋰電池客車的安全性能進(jìn)行評(píng)估，是國(guó)家有關(guān)部門有意從政策層面上進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)的界定，以促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。無論是對(duì)于消費(fèi)者還是廠商，在未來都有著相當(dāng)積極的意義。因此沒有必要因?yàn)樵诰W(wǎng)上片面地看到三元鋰電池的安全事故消息就裹足不前，材料都是會(huì)有危險(xiǎn)的，關(guān)鍵在于如何牢牢地控制。
不同類型新能源車的電池：統(tǒng)一要求
說完了電池的情況，筆者認(rèn)為對(duì)于新能源汽車的情況，還需要和大家簡(jiǎn)單介紹一下電池在車輛中的作用。畢竟購(gòu)買純電動(dòng)汽車的消費(fèi)者仍然占少數(shù)，更多朋友所關(guān)注的是混合動(dòng)力汽車。而混合動(dòng)力汽車嚴(yán)格來說可以分成三種：普通混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力汽車和增程式混合動(dòng)力汽車。
上面三種汽車中電池容量的排列從小到大恰好是普通混合動(dòng)力汽車＜插電式混合動(dòng)力汽車≤增程式混合動(dòng)力汽車。普通混合動(dòng)力汽車的電池不可充電，電池用于啟動(dòng)和急加速狀態(tài)；插電式混合動(dòng)力汽車的電池在普通混合動(dòng)力汽車電池的基礎(chǔ)上增大容量且可充電，具備更加出色的加速能力和省油能力；而增程式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，更傾向于純電動(dòng)汽車。
這三種混合動(dòng)力汽車模式各有利弊，在現(xiàn)階段的主力也是以普通混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力為主。正是因?yàn)槿N混合動(dòng)力汽車的特質(zhì)均有對(duì)于電池壽命和工作環(huán)境的共同點(diǎn)，因此無論是購(gòu)買采用何種模式的混合動(dòng)力汽車，消費(fèi)者都要留意相關(guān)的參數(shù)，如電池材質(zhì)、使用環(huán)境和最佳工作狀態(tài)等。與此同時(shí)，廠商也應(yīng)該在設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格把控電池質(zhì)量和相關(guān)安全設(shè)置，確保使用的安全高效。
新能源汽車的發(fā)展的關(guān)鍵，在于其使用體驗(yàn)是否能夠媲美甚至超越傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，同時(shí)在購(gòu)買與售后環(huán)節(jié)中是否有更加出色的優(yōu)勢(shì)。在筆者看來，新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵--電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費(fèi)者日益成長(zhǎng)的需求，不僅是汽車科技相關(guān)行業(yè)人員，還是科研工作者在全領(lǐng)域的追求。
