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【深度】锂电池是人类的未来 但谁又是锂电池的未来?

http://www.machine.hc360.com2017年10月31日08:34 来源:阿尔法工场T|T

    去年这个时候,我曾写了一系列文章,用以讨论动力电池技术路线的选择,其中详尽对比了锂电池、燃料电池、超级电容的优劣。

    最终结果是锂电池轻松胜出。

    那些认为日本的燃料电池代表未来的人,其实思维还停留在燃油车的时代,只不过是把加油站替换成了加氢站。

    至于超级电容,在特定领域有着不可替代的优势——例如轨道交通能量回收、塔吊能量回收、汽车动能回收装置;而在动力汽车领域,由于能量密度和成本的问题,无法成为未来可行的技术路线。

    故而毫无疑问,在即将到来的电动车革命中,锂电池将是真正的主角,是未来十年甚至二十年的不可动摇的路线。

    而且,一旦锂动力电池经过十多年的发展,全产业链上下形成稳定、完整、成熟的配套后(产业配套是巨大护城河,整个产业链成熟起来,投资可能需要数万亿,这是任何其他新的技术路线难以逾越的障碍),锂动力电池的技术路线就更加难以动摇。

    所以,锂电池是这场擂台赛中毫无疑问的冠军。

    但是锂电池技术路线内部还有多种技术路线,大致有钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、铁酸锂、三元电池等等,朋友们或许更关注这些技术路线哪一种更具有优势。

    为了厘清这一问题,笔者将在本文中进行一系列的深入探讨,不足之处各位朋友文后留言不吝指正。

    初选

    先说钴酸锂:循环性能太差,且大量使用了极其稀有的金属钴,缺点太过明显,其宿命唯有淘汰。

    再说钛酸锂:高充电倍率,寿命长;但也有一个鲜明的缺点——能量密度太低,导致成本过高。

    其特性类似于超级电容,这个致命缺点也阻碍其成为动力电池主流路线,故而也无法在初选中脱颖而出。

    第三说下锰酸锂:成本低,充电倍率高;但是高温性能差、循环性不佳。

    故而很少直接选用锰酸锂作为动力电池,而是同时添加其他材料形成改性电池,例如镍、钴成为镍钴锰电池,从而实现各项性能的均衡。

    但是经过这些改进之后,已经不再是简单的锰酸锂电池了,而是成为了三元电池类型中的一种。

    这样的论述结果表明:锰酸锂也要被淘汰。

    在锂电池众多的技术路线中,磷酸铁锂vs三元电池两种技术路线的对决最为胶着。

    磷酸铁锂安全性高,寿命长,但是能量密度低,低温性能差,一致性差;

    三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,成本较低,但是安全性能差,循环寿命不如铁锂电池。

    当前,磷酸铁锂最成熟的产业链在中国,我们对相关领域掌握的核心技术也较多;而三元电池则以日韩为代表,且更成熟一些。

    所以这两种技术路线的对决更有一种中国vs日韩的意味。

    过去的一年中,我仍然每天孜孜不倦的思考这个问题,大量阅读相关领域的文章,阅读众多对相关领域技术专家的访谈,思考两种动力锂电池技术路线的优劣。

    终于在今天我自认为有了一个较为清晰的认识,下决心完成这篇拖了一年多的稿子,好了,废话不多说,决赛打擂正式开始!

    决赛

    评价动力电池性能大致有以下7个维度:

    1、安全性

    2、能量密度

    3、循环寿命

    4、成本

    5、充电倍率

    6、电池单体一致性

    7、低温性能

    作为一种合格的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才能是一种具有可行性的路线。

    1、安全性

    这个方面磷酸铁锂电池有着鲜明的优势:温度达到480°以上才会分解,能通过针刺、火烧等严酷试验。

    以镍钴铝为代表的三元电池,则在180°就会分解并释放出气体,并且反应更加剧烈。

    这一局迅速有了结果,铁锂电池胜。

    2、能量密度

    磷酸铁锂电池由于材料的缘故,放电平台的电压更低,只有3.2V;且压实密度很低,只有2.2~2.5左右,这些都导致了磷酸铁锂电池的理论能量密度不高,只有178wh/kg。

    而磷酸铁锂的领先厂商比亚迪目前已经把电芯单体的能量密度做到了147wh/kg,比亚迪电池事业部老总王文峰宣称要在2018年把磷酸铁锂做到160wh/kg。

    这已经是相当了不起的成就,但已经逼近这一电池路线能量密度的理论上限,未来很难再有大的提升。

    而反观镍钴铝(NCA)三元电池(特斯拉采用),当前18650电池能量密度是245wh/kg,未来在model3上使用的20700电池要把能量密度做到300wh/kg以上。

    国内很多产商选择镍钴锰(NCM)三元锂电池技术路线,它的理论能量密度上线是280wh/kg,大疆无人机身上的锂电池就是使用的这种锂电池,当前80%的无人机锂电池由广东的厂商供应。

    我看了一下参数,当先规模化生产后的镍钴锰锂电池的能量密度可以做到190wh/kg的水平,距离理论密度上限还有较大距离,还有较大提升空间。

    在不久的未来,理想情况下能量密度可以做到230wh/kg以上,电池组整体的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸铁锂高40%左右。

    另外磷酸铁锂压实密度较低,这就导致了同等电池容量下,磷酸铁锂的体积更大。

    经对比测算比亚迪e6电池组和特斯拉models的电池组后得出结论,同等电池容量下,磷酸铁锂的体积要比镍钴铝三元电池大48%。

    把能量密度和安全性这两个参数放在一起评价我们就可以发现,能量密度和安全性这两个指标是一对天生的敌人,其实通过最简单的物理学和化学知识我们就可以知道,能量密度越高,它就越不稳定,越不安全。

    3、循环寿命

    在评价这个方面的性能时,我接接触的信息让我头疼。

    就以磷酸铁锂为例,有文章说寿命是2000次,王传福说他的铁锂电池寿命能达到4000次以上,甚至还有文章说全周期寿命能达到2万次。

    差距如此之大的数据令我头晕,需要反复仔细甄别才能有一个正确认知;后来发现以上说法都“不错”,只不过是他们评价标准不同罢了。

    说寿命只有2000次的,是按照1C充电倍率反复冲放,电池容量在标定容量80%以下时即认为寿命终止(这是一个极其严苛的充放电测试,1C的速率意味着1小时把电池充满)。

    王传福口中的4000次,则更可能是通常使用条件下,根据大量已经上路的e6运营实测的结果。

    而最后所谓2万次则是全使用周期下的结果。

    因为电池容量低于标定的80%并不意味着这个电池彻底不能用了,毕竟还有80%的容量,此时的电池可以取下来梯次利用,用作储能电站,在合理电流合理温度合理使用环境下可以达到2万次的反复充放电。

    但无论怎样,磷酸铁锂的使用寿命都明显长于三元电池。

    三元电池在1C充放倍率,反复充放800次左右,实际容量就已经低于标定容量的80%了,从这个角度看,铁锂电池甚至是三元电池寿命的三倍。

    但实际使用中也并不是这样,由于磷酸铁锂电池的一致性较难控制,使得铁锂电池电池组的整体寿命短一些,并没有寿命可以达到三元电池3倍那么夸张。

    但无论如何,循环寿命这一项,铁锂胜出。

    4、成本

    有些人认为磷酸铁锂的正极材料当中不使用稀有金属,而三元电池则要使用到钴、镍等较为贵重的金属,所以就理所当然的认为磷酸铁锂的成本更低一些,这其实是一个认识上的误区。

    磷酸铁锂的放电电压3.2V,三元电池的放电电压平台在3.8V,更高的放电电压意味着更高啊的电池容量,这就意味着同等材料消耗情况下,三元电池的容量更大。

    或者反过来说也一样:同等容量的电池,三元电池消耗原材料更少。

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