三元鋰電池是什么？為什么會成為動力電池的新星呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-15 10:14
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前面的文章中我們?yōu)榇蠹液唵谓榻B了電動汽車的驅(qū)動電機(jī)的幾種不同形式，但是其實制約電動汽車發(fā)展的核心并非電機(jī)，而是電池。電池的容量決定了巡航里程、充電時間這些用戶體驗最重要的部分。當(dāng)然，從汽車這個工業(yè)產(chǎn)品角度看，決定動力電池的維度又要多好幾個，比如安全性、能量密度、單體標(biāo)稱電壓、使用壽命、應(yīng)用成本、低溫衰減能力等等，在這方面國際與國內(nèi)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，能夠上市銷售的車型肯定首先要達(dá)標(biāo)。
相信很多關(guān)注電動汽車的朋友對于三元鋰電池不會陌生，大名鼎鼎的特斯拉采用的就是這種電池。而國內(nèi)的電池巨頭比亞迪在過去很長一段時間內(nèi)一直采用的是磷酸鐵鋰電池，在今年下半年則宣布也將重點發(fā)展三元鋰電池。那么，到底什么是三元鋰電池？它為什么會突然成為動力電池的寵兒呢？
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)實際需要調(diào)整。
安全性是重中之重
三元鋰電池的特點是能量密度大，電壓更高，所以同樣重量的電池組電池容量更大，車子跑的距離也就更遠(yuǎn)，速度也能更快。但是其弱點在于穩(wěn)點性較差，如果內(nèi)部短路或是正極材料遇水，都會有明火產(chǎn)生。所以一般18650電池都會有一層鋼殼保護(hù)，由于特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，所以，雖然特斯拉給電池組進(jìn)行了全方位的保護(hù)，但是在極端的碰撞事故中，起火隱患還是有的。
之所以這樣，原因是兩種材料在到達(dá)一定溫度時發(fā)生分解，三元鋰材料會在更低的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)反映更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡單點，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。
磷酸鐵鋰電池則要穩(wěn)定許多，電池板就算是穿刺、短路也不會爆炸燃燒，遭到350℃的高溫也不會起火（三元鋰電池在180-250℃就扛不住了）。所以在安全性能上，磷酸鐵鋰電池略勝一籌。
正因為三元鋰材料有這樣的安全隱患，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）這幾個環(huán)節(jié)上都會下不少的功夫。特斯拉之所以對于安全性有信心，就是因為它有一整套電池管理系統(tǒng)，能夠?qū)⒒钚愿叩娜囯姵毓芾淼馗?。?dāng)然，伴隨著越來越多的電池企業(yè)、車企還有專業(yè)的電池管理企業(yè)在這個領(lǐng)域的不斷研發(fā)，更多的企業(yè)也能做到優(yōu)秀的電池管理，將安全性大大提升。
能量密度是核心要素
能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度，基本單位為Wh/kg（瓦時/千克）。電池的能量密度越大，單位體積內(nèi)存儲的電量越多。
比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh/kg，比亞迪三元鋰電池能量密度則達(dá)到了200Wh/kg?？梢钥闯觯嚥牧媳攘姿徼F鋰的優(yōu)勢還是很明顯的。深圳另外一家電池企業(yè)比克電池的三元材料動力電池單體電芯能量密度近220Wh/kg，在行業(yè)內(nèi)算是比較高的。
在這里，不得不說國家政策對于行業(yè)的指導(dǎo)性也是非常明確。2017年3月1日，中央四部委印發(fā)了《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》通知，明確指出了“將提高電池比能量作為今后的重點發(fā)展目標(biāo)之一”。
以下三點為重點：
1.到2020年，鋰離子動力電池單體比能量大于300Wh/kg；系統(tǒng)比能量爭取達(dá)到260Wh/kg；成本小于1元/瓦時；使用環(huán)境達(dá)-30℃到55℃；具備3C充電能力。
2.到2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。
3.力爭實現(xiàn)單體電池350Wh/kg、系統(tǒng)260Wh/kg的鋰離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用。
事實上，正是由于這個發(fā)展方向，三元鋰電池的春天才算是真正到來，因為磷酸鐵鋰在單體能量密度上可以突破的空間不大，而三元鋰電池的潛力則還未充分挖掘出來。
關(guān)于電池壽命的問題
三元鋰電池的理論壽命是2000次充放電循環(huán)，但在實際使用中，當(dāng)進(jìn)行900次的充放電循環(huán)后，電池容量就基本衰減到了55%。也就是說充滿電只能跑原來里程的一半。但如果每次電池充放電都控制在0%-50%或者25%-75%的循環(huán)中工作，即使經(jīng)過3000次的充放電循環(huán)，電池容量基本還能能夠保持在70%左右。但這同樣需要優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)。
磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命也在2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時率）使用，可達(dá)到2000次的循環(huán)性。不過，磷酸鐵鋰電池有一個致命的缺點，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，基本就報廢了。所以在北方，這種電池的工況實在是讓人擔(dān)憂的。
三元鋰電池這個名稱很響亮，但具體的內(nèi)容恐怕很多朋友并不清晰，需要留意下。三元正極材料在電池比能量、比功率、大倍率充電、低溫性能等方面有優(yōu)勢，循環(huán)性能方面則是磷酸鐵鋰更好，但在寒冷環(huán)境中又變得更差。安全方面，磷酸鐵鋰本來是最理想的，但是三元鋰的不斷加強(qiáng)的電池管理技術(shù)加持下，逐漸得到提高。
由此我們明白，在商用車領(lǐng)域，如大巴車，空間較大，對電池比能量和比功率要求相對較低，可選擇磷酸鐵鋰材料電池，發(fā)揮其循環(huán)性能好的特性。而轎車空間有限，電池用量小，則選用高比能量與高比功率三元材料電池更為合適。從適應(yīng)政策的角度看，未來的能量密度要求更高，三元鋰電池的潛力將得到更大的發(fā)揮。首先糾正一個概念，鋰電池按照正負(fù)極使用的材料不同，通常分兩大類 ：
鋰金屬電池，也就是使用二氧化錳為正極材料，金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料的電池；鋰離子電池，使用鋰合金金屬氧化物為正極材料，石墨為負(fù)極材料電池。
鋰金屬電池其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電，所以不屬于二次電池。對于新能源汽車來講，我們平時說的鋰電池，就是指鋰離子電池。
我們來看看鋰離子電池的工作原理，如下圖：
鋰離子電池主要由正極（含鋰化合物），負(fù)極（碳素材料），電解液，隔膜四個部分組成：
電池充電時，正極上鋰原子電離成鋰離子和電子（脫嵌），鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極，得到電子，被還原成鋰原子嵌入到碳層的微孔中（插入）；
電池放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰原子，失去電子（脫插）成為鋰離子，通過電解液，又運動回正極（嵌入）；
鋰電池的充放電過程，也就是鋰離子在正負(fù)極間不斷嵌入和脫嵌的過程，同時伴隨著等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。鋰離子數(shù)量越多，充放電容量就越高。
分類
因正極材料不同，鋰離子電池主要分為：磷酸鐵鋰（LFP），鎳酸鋰（LNO），錳酸鋰（LMO），鈷酸鋰（LCO），以及鎳鈷錳酸三元鋰（NCM）、鎳鈷鋁酸三元鋰（NCA），負(fù)極材料主要采用石墨碳材料。
各類型的化學(xué)成分，結(jié)構(gòu)以及主要性能比較如下：
技術(shù)路線
基于上表，我們來理一理不同類型鋰電池在市場的應(yīng)用情況。
先說說鈷酸鋰，作為鋰電池的鼻祖，當(dāng)然也可能是作為動力電池先試試水，最先用在特斯拉Roadster上，但由于其循環(huán)壽命和安全性都較低，事實證明其并不適用作為動力電池。為了彌補(bǔ)這個缺點，特斯拉運用了號稱世界上最頂尖的電池管理系統(tǒng)來保證電池的穩(wěn)定性。鈷酸鋰目前在3C領(lǐng)域的市場份額很大。
第二是錳酸鋰電池，主要最先由電池企業(yè)AESC提出，這個AESC來頭可不小，是日產(chǎn)和日本電氣股份有限公司（NEC）的合資。錳酸鋰代表車型是為日產(chǎn)聆風(fēng)，由于其價格低，能量密度中等，安全性也一般，具有所謂的較好綜合性能。所謂成也蕭何敗也蕭何，也是正因為這種不溫不火的特性，其逐步被新的技術(shù)所替代。
接著是磷酸鐵鋰，作為比亞迪的主打，其穩(wěn)定好，壽命長，且具有成本優(yōu)勢，特別適用于需要經(jīng)常充放電的插電式混合動力汽車，但其缺點是能量密度一般。
最后是三元鋰電池，作為冉冉升起的新星，能量密度可達(dá)最高，但安全性相對較差。對于續(xù)航里程有要求的純電動汽車，其前景更廣，是目前動力電池主流方向。
