三元鋰電池——新能源汽車電池技術的演變方向

註：本文由微信公眾號 靖言不敏 發布

鋰離子電池的用途十分廣泛，因為特有的性能優勢，已經在電子時代得到普遍應用，比如說筆記本電腦、相機、手機等等。新能源汽車產業的出現，更是大大推動了鋰電池的發展，為鋰電池的應用打開了廣闊的前景。

一、汽車鋰電池的構成與分類

如果把汽車鋰電池看做是一道菜的話，那麼完成這道菜就需要一些食材和配料，這些食材配料就是正極材料、負極材料、電解液、隔離材料和電池管理系統等。

根據外形、外包材料、電解液，鋰電池可以被劃分成很多類別。在這裡，為了討論近年來鋰電池技術的演變趨勢，我們主要根據正極材料的不同，來討論汽車動力電池的兩種主流產品：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

二、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的對比

兩種電池都使用鋰元素，循環壽命也可以放心使用。但其正負極材料和電池管理系統卻有所不同，性能上的特點也大有差異。

所謂磷酸鐵鋰電池，就是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。這一類電池的特點是不含貴重金屬元素（比如鈷等）。由於不含有貴重金屬材料，磷酸鐵鋰電池的原材料成本就可以被壓縮的非常低廉。

在實際使用中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫，安全穩定性強，價格便宜，循環性能更好的優勢。例如比亞迪，就專精這類電池。市面上還有一種叫做A123的鋰電池，這種電池實際上也是磷酸鐵鋰電池的一種。它主要在製造工藝上採用了納米工藝等，增加了電池充放電能力。我國萬向集團就收購了A123公司，進而收購了賴以該電池為動力基礎的菲斯克（Fisker）汽車公司。

而三元鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰做為正極材料，石墨作為負極材料的鋰電池。與磷酸鐵鋰不同，三元鋰電池電壓平台很高，這也就意味著在相同的體積或是重量下，三元鋰電池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充電、和耐低溫性能等方面，三元鋰電池也有很大的優勢。特斯拉的Model S採用的松下18650組成的電池組就是三元鋰電池，單個這種電池比平常的5號電池要大一些。

1.能量密度與續航里程對比

相較於磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池的能量密度大，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，速度也能更快。特斯拉Model S充滿電的續航里程為400多公里。北汽EV200採用了來自韓國SK生產的三元鋰電池，理論巡航里程達到200km，而它的前輩車型EV150則採用了磷酸鐵鋰電池，續航里程僅為150km。

根據國內三元材料18650圓柱電池龍頭企業——比克電池提供的資料，其18650電池的能量密度已經達到了232Wh/kg，後續將會進一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前國內主流的磷酸鐵鋰電池能量密度也僅達到150Wh/kg左右。據國內電池行業專家剖析，未來幾年之內，磷酸鐵鋰電池的能量密度能夠達到300Wh/kg的希望非常渺茫。

2.空間佔用對比

對於體積龐大的電動巴士而言，空間佔用影響較小。但對於家用電動汽車來說，空間佔用就顯得比較重要了。能量密度較低的磷酸鐵鋰電池將會佔據原本就不多的汽車空間，並且由於更大的重量，在使用時的放電續航也會受到比較大的影響。相對而言，能量密度較高的三元鋰電池在解決重量問題的同時也為家庭用車節省出了空間。

3.低溫放電性能對比

三元電池和磷酸鐵鋰電池的在不同溫度下的放電性能如下圖所示。（「相對25℃容量」是指不同溫度條件下放電容量與25℃時放電容量的比值。該數值能夠準確反映出電池在不同溫度條件下續航的衰減，越接近100%，電池表現越好。）

從圖中能夠看出，以25℃為基準常溫，兩類電池在55℃高溫下放電與常溫25℃下放電，放電容量幾乎沒有差別。但在零下20℃時，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比有比較明顯的優勢。

我國幅員遼闊，氣候複雜，從最北端的東北三省到最南端的海南諸島溫度變化非常豐富。以北京為例，作為電動汽車的主力市場，北京夏季最高溫度在40℃左右，而冬季則基本保持在零下6℃左右，甚至更低。這樣的溫度區間顯然適合低溫性能更佳的三元鋰電池。而注重耐高溫性能的磷酸鐵鋰電池在北京的冬季會顯得有些乏力。

4．充電效率對比

除了續航之外，充電也是電動汽車在實際使用中的重要環節，而三元鋰電池在充電效率方面較磷酸鐵鋰電池有著非常大的優勢。

目前市面上較為常見的充電方式為恆流恆壓式充電。一般在充電開始時先採用恆流充電，此時的電流較大，充電效率相對更高。而在電壓達到一定數值之後，降低電流改為恆壓充電，這樣可以讓電池充的比較滿一些。在這個過程中，恆流充電容量與電池總容量的比值，稱為恆流比。它是衡量一組電池在充電過程中充電效率的關鍵數值。通常百分比越大說明在恆流階段充入的電量越高，也就證明該電池的充電效率更高。

從表中可以看出，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池在100以下Ah充電時，恆流比無明顯差距，100以上Ah充電時，磷酸鐵鋰電池恆流比例迅速降低，充電效率迅速降低。

5.成本對比

（1）研發成本

雖然三元鋰電池的理論壽命是2000次充放電循環，但在實際使用中，當進行900次的充放電循環後，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%的循環中工作，不榨光電池的精力，即使經過3000次的充放電循環，電池容量基本還能能夠保持在70%左右。所以這需要非常優秀的電池管理系統，也是特斯拉對自己的電池管理系統非常自豪的原因所在。

而磷酸鐵鋰電池不依賴電池管理系統，研發成本低。磷酸鐵鋰電池即便是經過3000次0-100%的充放電使用，容量也才會衰減到80%，所以磷酸鐵鋰電池的電池管理系統就沒那麼複雜，也就進一步降低了整車研發成本。2015年，比亞迪純電動大巴車採用的就是磷酸鐵鋰電池驅動的。

（2）原料成本

相較於磷酸鐵鋰電池而言，三元電池需要用到更多的貴金屬，最主要的就在於鈷礦石。其實咱們國家的鋰礦、氧化鐵磷酸鹽儲量豐富，製造磷酸鐵鋰電池有優勢。而我國缺乏鈷礦，製造必須採用鈷元素的三元鋰電池會有些困難。所以，我國許多車企（包括電池企業）在早期階段，發展磷酸鐵鋰電池是很現實的。比如2015年國內主流的電池廠商生產的都是磷酸鐵鋰電池。當時，市面上採用三元鋰電池的電動車，動力電池基本都是國外品牌產品（日本松下，韓國SK等），價格也相應要比採用磷酸鐵鋰電池的車型（同級別）貴一些。

6.安全性對比

三元鋰材料會在200度左右發生分解。並且化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，更會發生連鎖反應。而磷酸鐵鋰在700-800度時才會發生分解，不會像三元鋰材料一樣釋放氧分子，燃燒沒那麼劇烈。

說簡單點，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。內部短路或是正極材料遇水，都會有明火產生。所以一般18650電池都會有一層鋼殼保護。特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，雖然進行了全方位的保護，但是在極端的碰撞事故中，起火隱患還是有的。

磷酸鐵鋰電池則要穩定許多，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200℃就扛不住了）。所以在安全性能上，磷酸鐵鋰電池略勝一籌。

7.循環壽命對比

對於家庭用車來說，三元材料和磷酸鐵鋰動力電池的額定循環壽命都遠遠超過了實際用戶的使用習慣，因此在使用壽命上可以完全放心。以比克電池目前的高容量18650電池為例，在充放電循環1000次之後，電池容量依然能夠保持在最初的90%以上。假設新能源汽車平均2-4天一充電，取中間值平均3天一充電來計算，使用1年需要充大約120次電，循環壽命1000次使用完畢大約需要8年時間，這也基本超過了目前我國消費者平均的換車周期。

三、演變路徑

梳理一下上面的對比，我們會發現，除了應用成本高、安全性低以外，在其他方面（續航能力、抗衰退能力、穩定性方面），三元鋰電池各方面屬性都比磷酸鐵鋰電池優秀。

兩種鋰電池特點對照表

三元鋰電池（18650）

磷酸鐵鋰電池

安全性（相對兩款電池）

低

高

重量能量密度（Wh/kg）(同樣能量，電池要更輕才好)

200

100-110

電池單體標稱電壓（V）

3.8

3.2

抗衰退能力（壽命）

低

高

應用成本（我國）

高

低

抗低溫衰減能力

強

弱

1.現實情況

如果能夠解決安全缺陷的問題，三元鋰電池應該是比較理想的選擇。但實際情況是，2016年之前，我國動力電池市場中，磷酸鐵鋰電池佔據了絕大部分市場份額，並且在逐年增加。以2015年11月數據為例，磷酸鐵鋰電池的電動大巴裝機量佔比達到64.9%，三元鋰電池裝機量為27.6%；到了2016年上半年，磷酸鐵鋰電池出貨量達4.9GWh，佔比上升為74%，而三元電池出貨量1.53GWh，佔比僅為23%。主要原因是，政府和市場對三元鋰電池的安全問題比較謹慎，限制了其應用。

2016年初，在中國電動車百人會上，工業和信息化部裝備司司長張相木說：「工信部將組織開展對三元鋰電池的風險評估，在評估完成前，暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用推薦車型目錄。」這也意味著，三元電池暫時被禁用在客車上。後來，工信部解釋，禁止三元電池在客車中的使用，主要是考慮到，相較於乘用車，客車發生安全隱患後，因為車門少，人數多，更不容易逃離，造成重大事故和重大損失的可能性較高。

2.三元鋰電池應用的可能性

那麼，三元電池的安全問題能夠解決嗎？如果從根本上無法解決，這種技術就永遠不可能稱為主流，而如有技術上的可能性，那麼更加安全的三元電池遲早是市場未來的方向。

回答這個問題，我們首先得說一下，三元電池不安全的原因。

三元鋰電池存在安全隱患，只是因為三元鋰材料和磷酸鐵鋰材料特性的差異。三元鋰材料更容易熱解，而熱解是需要一定條件的，比如溫度、電流、電壓、電解液分解等等。而鋰電池由於自身特性，一般都必須要有電池管理系統（Battery Management System），其主要功能包括過充保護（OVP）、過放保護（UVP）、過溫保護（OTP）、過流保護（OCP）等功能，一旦發生意外，能夠立刻切斷電流。

所以，單純認為三元鋰電池不安全，是不太合適的。三元材料容易熱解，但不代表三元鋰電池就一定不安全；磷酸鐵鋰材料不易熱解，但不代表磷酸鐵鋰電池就是安全的。最終決定安全性的，是整個動力電池系統。如果電池熱解了，先得問問電池管理系統（BMS）是不是合格的。換句話說，性能良好的三元電池，其安全性是可以通過改進電池管理系統來解決的。

另一方面，從實際發生的電池事故來看，也可以得到驗證。純電動客車已經發生的自燃事故中，有使用三元鋰電池的，也有使用磷酸鐵鋰電池的。

3.解決安全問題的可行性

解決三元鋰電池安全問題的途徑有很多，也很複雜。出於篇幅和時間的考慮，本文不再贅述。後續有時間會再單獨梳理講解。這裡，先講一下實踐中的情況：三元鋰電池的安全問題已經通過技術改良的手段正得到解決，並且在不斷完善。

以比克18650電池產品為例，在單體電芯工藝上，比克選擇在正負極分別配置保護添加劑和反應性添加劑，阻止電解液分解導致的安全問題。同時添加陶瓷隔膜和負極陶瓷塗層等安全防護手段，從根源控制事故的產生。此外，比克小型圓柱18650電池成組模式，每顆電池之間都保持足夠的安全距離，確保單顆電池的事故不會對其他電池造成影響。

也正是因為安全問題逐步得到解決，三元鋰電池僅僅在時隔1年後，就被政府解禁。

2016年底，工信部召開了關於進一步做好新能源汽車推廣應用安全監管工作的宣貫會,會議指出，自2017年1月1日起,電動客車安全國家標準出台前,新能源客車暫按《電動客車安全技術條件》的要求執行。在《電動客車安全技術條件》中，對可充電儲能系統有「蓄電池單元熱失控試驗」和「可充電儲能系統熱失控擴展試驗」等測試要求。同時，新申請《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》的使用三元電池的客車,應同時補交第三方檢測報告。這一條款表明，在通過熱失控試驗和熱失控擴展試驗測試的前提下，三元鋰電池客車可申請推薦目錄，標誌著三元電池在客車上的應用自2017年1月1日起解禁。

這也意味著，三元鋰電池逐步取代磷酸鐵鋰電池，成為動力電池市場的主流技術產品，將是確定性的演變趨勢。無論是特斯拉還是寶馬i3，都早已選擇三元鋰電池作為動力電池，而在中國，像江淮、比亞迪、北汽等不少汽車廠商也開始將旗下原本使用磷酸鐵鋰電池的車型換裝三元鋰電池，億緯鋰能在2015年8月份，也透露二期工廠將主要生產三元鋰電池。隨著這一趨勢演變的發生，鋰電池市場和產業鏈將發生微妙的變化並蘊含巨大的投資機會。

註：本文由微信公眾號 靖言不敏 發布

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