比亚迪为何从磷酸铁锂逆转到三元材料

在锂离子电池当中,由于正负极容量的差异,正极材料往往是影响电池能量密度的瓶颈所在。因此,采用不同正极材料的锂离子电池之间,其特性也存在着或多或少的区别。常见的正极材料有四种,分别是片装的钴酸锂和镍酸锂;尖晶石结构的锰酸锂;橄榄石结构的磷酸铁锂;三元材料。那么到底什么是三元材料?顾名思义,三元材料,就是三种电极材料共融而成的复合电极材料,理论上兼具每种电极材料的特性和优势,目前最常见的是NCA和NCM。

最近,比亚迪表示,公司未来的插电式混合动力汽车将尝试使用三元电池。此前,比亚迪一直青睐于磷酸铁锂电池,作为一直力挺磷酸铁锂无论在材料和新能源汽车上的龙头企业,为什么突然出现态度上的转变?NCM是目前最主流的三元材料,也被认为是未来的发展趋势。NCM指的是镍钴锰酸锂三元材料。通过调配镍、钴、锰三者的比例,得到不同的电极特性。

 

比亚迪为何从磷酸铁锂逆转到三元材料

目前国内的路线仍以磷酸铁锂为主。磷酸铁锂有较好的循环稳定性能,成本也比较低。其理论能量密度大概在160Wh/kg,几乎到达了能量密度的天花板。比如掺杂一元或者多元的离子之后,获得了更高的容量,1C放电比容量超过120mAh/g。但是要注意到提高比能量不一定能同比提高电池的能量密度,另外材料的稳定性、安全性、材料成本、加工工艺的复杂化等一些列的问题,也仍待解决。因此,这些振奋人心的实验室数据,要想变成产品参数,仍有相当长的一段路要走。

锂酸铁锂的先天不足,使更多的企业开始注意三元材料。大部分磷酸铁锂的生产厂家,都开始关注三元材料的开发。其中一些(如天津力神、中航锂电)已经开始批量的三元材料锂电池的生产。

三元材料和磷酸材料的区别。

 

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单从材料性能上对比,三元材料具有很大的优势,特别是比容量和压实密度。磷酸铁锂克比容量理论最大值170,155基本上是磷酸铁锂的上限,目前唯一能够实现技术突破的也就是压实密度,目前还没有实质性的进展。

标准电压的差距那更是”生理性”短板无法改变。三元和磷酸铁锂18650电芯的比较(以某前十名公司电芯做比较)

从图表看:

 

比亚迪为何从磷酸铁锂逆转到三元材料

三元电芯基本容量在2200mAh左右,LFP电芯在1500mAh,比LFP电芯高出45%,基本上可以说在18650电池上,LFP电芯没有任何优势。LFP电芯循环次数是三元电芯的三倍,事实据我们了解,三元电池循环次数能够800-1000。

三元和LFP其他动力电池比较:对于电动汽车电池比较重要指标是重量,空间和安全性。单位重量情况下,容量比较:

LFP电芯:容量/重量=50/1.46=34.2Ah/Kg

三元电芯:容量/重量=42/0.86=48.8Ah/Kg

单位容量比:(48.8-34.2)/34.2=42.6%,从单位容量来看,三元比LFP高出42.6%。

换成单位瓦时计算:容量/重量*标准电压

LFP电芯:34.2*3.2=109.4wh/Kg 三元电芯:48.8*3.65=178.2wh/Kg

从单位瓦时来看,三元比LFP电芯高出(178.2-109.4)/109.4=62.9%。

从空间上计算,在同样容量的情况下,LFP电芯比三元电芯多占用48.6%的空间。

安全性问题:从物理化学性能上来看,LFP材料比三元材料更安全,这个不可否认,但即使在安全问题,不仅仅是正极材料问题,包括电解液,隔膜,PACK,BMS整车都存在着一定的安全问题。而且,国外三元材料电池在新能源汽车上使用量远高于磷酸铁锂电池。

从目前报道新能源车着火问题,LFP电池汽车并不低于三元电池新能源汽车,笔者就不再一一列举。比亚迪考虑三元材料的另一方面原因可能和国家补贴政策预期变化有关。其中新增的一项技术考察指标备受争议--吨百公里耗电量,具体计算方式如下:

 

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补贴草案中对能耗指标的要求主要有两种形式:吨百公里耗电量不大于13kwh,分段设置百公里耗电量(M代表整备质量;Y代表耗电量)

作为能耗指标,对比百公里耗电量,吨百公里耗电量引入了车辆的整备质量,这样的考察指标是否合理?该标准一出就有舆论指出,这是鼓励大型车、打击小型车。小型车如果为了达到指标,加重车身质量,将增大能耗,从而与汽车轻量化发展路线背道而驰。也有一些专家对吨百公里电耗指标持明确的赞成态度,全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树认为,“吨百公里电耗的指标是相对合理的,有利于规范电动车市场区间,防止低速电动车简单套目录进入国家支持的新能源车范围。”

对于高能量高性能的追求,是技术发展的必然方向。三元材料也是电极材料的重要方向。磷酸铁锂、钴酸锂在未来已经不能给我们什么惊喜,除了生产,也没有太多的“故事”可讲。因此,不论是企业、高校、研究机构、还是金融机构,为各自利益,把资源投向三元材料是必然的事情。

仅对于市场而言,比起增加的续航里程来说,更关心的电动车可能是使用了三元材料之后,车是不是更贵了,电池使用寿命是不是更短了,是不是更不安全了。三元材料在充分市场化之后,势必对磷酸铁锂电池的市场份额造成影响,但笔者认为两者技术会长期同时存在。随着未来应用市场的细化,各种技术“各司其职”,在各自的领域开疆辟土。

随着各种电极材料技术走向瓶颈期,锂离子动力电池的生命将走向终结。如果解决电动车问题,要寄希望于新的电化学体系、新的电池技术出现。那么问题是,是先有了技术再发展电动车,还是有了电动车之后再去开发电池技术?基于镍氢电池的混合动力技术营造了电动车的市场神话,需要对市场有充分地认识,有足够的资源来维持。如何解决“想做”、“会做”、“能做”、“坚持做”的问题,可能是我们优先于技术本身更要考虑的问题。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子