鋰離子電池的用途十分廣泛，因?yàn)樘赜械男阅軆?yōu)勢(shì)，已經(jīng)在電子時(shí)代得到普遍應(yīng)用，比如說(shuō)筆記本電腦、相機(jī)、手機(jī)等等。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，更是大大推動(dòng)了鋰電池的發(fā)展，為鋰電池的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的前景。

一、汽車鋰電池的構(gòu)成與分類

如果把汽車鋰電池看做是一道菜的話，那么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(fù)極材料、電解液、隔離材料和電池管理系統(tǒng)等。

根據(jù)外形、外包材料、電解液，鋰電池可以被劃分成很多類別。在這里，為了討論近年來(lái)鋰電池技術(shù)的演變趨勢(shì)，我們主要根據(jù)正極材料的不同，來(lái)討論汽車動(dòng)力電池的兩種主流產(chǎn)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(duì)比

兩種電池都使用鋰元素，循環(huán)壽命也可以放心使用。但其正負(fù)極材料和電池管理系統(tǒng)卻有所不同，性能上的特點(diǎn)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(diǎn)是不含貴重金屬元素（比如鈷等）。由于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(shí)際使用中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫，安?全穩(wěn)定性強(qiáng)，價(jià)格便宜，循環(huán)性能更好的優(yōu)勢(shì)。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(shí)際上也是磷酸鐵鋰電池的一種。它主要在制造工藝上采用了納米工藝等，增加了電池充放電能力。我國(guó)萬(wàn)向集團(tuán)就收購(gòu)了A123公司，進(jìn)而收購(gòu)了賴以該電池為動(dòng)力基礎(chǔ)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(fù)極材料的鋰電池。與磷酸鐵鋰不同，三元鋰電池電壓平臺(tái)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(yōu)勢(shì)。特斯拉的Model S采用的松下18650組成的電池組就是三元鋰電池，單個(gè)這種電池比平常的5號(hào)電池要大一些。

1.能量密度與續(xù)航里程對(duì)比

相較于磷酸鐵鋰電池，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(yuǎn)，速度也能更快。特斯拉Model S充滿電的續(xù)航里程為400多公里。北汽EV200采用了來(lái)自韓國(guó)SK生產(chǎn)的三元鋰電池，理論巡航里程達(dá)到200km，而它的前輩車型EV150則采用了磷酸鐵鋰電池，續(xù)航里程僅為150km。

根據(jù)國(guó)內(nèi)三元材料18650圓柱電池龍頭企業(yè)——比克電池提供的資料，其18650電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了232Wh/kg，后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前國(guó)內(nèi)主流的磷酸鐵鋰電池能量密度也僅達(dá)到150Wh/kg左右。據(jù)國(guó)內(nèi)電池行業(yè)專家剖析，未來(lái)幾年之內(nèi)，磷酸鐵鋰電池的能量密度能夠達(dá)到300Wh/kg的希望非常渺茫。

2.空間占用對(duì)比

對(duì)于體積龐大的電動(dòng)巴士而言，空間占用影響較小。但對(duì)于家用電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，空間占用就顯得比較重要了。能量密度較低的磷酸鐵鋰電池將會(huì)占據(jù)原本就不多的汽車空間，并且由于更大的重量，在使用時(shí)的放電續(xù)航也會(huì)受到比較大的影響。相對(duì)而言，能量密度較高的三元鋰電池在解決重量問(wèn)題的同時(shí)也為家庭用車節(jié)省出了空間。

3.低溫放電性能對(duì)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(duì)25℃容量”是指不同溫度條件下放電容量與25℃時(shí)放電容量的比值。該數(shù)值能夠準(zhǔn)確反映出電池在不同溫度條件下續(xù)航的衰減，越接近100?%，電池表現(xiàn)越好。）

從圖中能夠看出，以25℃為基準(zhǔn)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(méi)有差別。但在零下20℃時(shí)，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)幅員遼闊，氣候復(fù)雜，從*北端的東北三省到*南端的海南諸島溫度變化非常豐富。以北京為例，作為電動(dòng)汽車的主力市場(chǎng)，北京夏季*?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(qū)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(huì)顯得有些乏力。

4．充電效率對(duì)比

除了續(xù)航之外，充電也是電動(dòng)汽車在實(shí)際使用中的重要環(huán)節(jié)，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(yōu)勢(shì)。

目前市面上較為常見(jiàn)的充電方式為恒流恒壓式充電。一般在充電開(kāi)始時(shí)先采用恒流充電，此時(shí)的電流較大，充電效率相對(duì)更高。而在電壓達(dá)到一定數(shù)值之后，降低電流改為恒壓充電，這樣可以讓電池充的比較滿一些。在這個(gè)過(guò)程中，恒流充電容量與電池總?cè)萘康谋戎?，稱為恒流比。它是衡量一組電池在充電過(guò)程中充電效率的關(guān)鍵數(shù)值。通常百分比越大說(shuō)明在恒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(shí)，恒流比無(wú)明顯差距，100以上Ah充電時(shí)，磷酸鐵鋰電池恒流比例迅速降低，充電效率迅速降低。

5.成本對(duì)比

（1）研發(fā)成本

雖然三元鋰電池的理論壽命是2000次充放電循環(huán)，但在實(shí)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(shuō)充滿電只能跑原來(lái)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，不榨光電池的精力，即使經(jīng)過(guò)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。所以這需要非常優(yōu)?秀的電池管理系統(tǒng)，也是特斯拉對(duì)自己的電池管理系統(tǒng)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(tǒng)，研發(fā)成本低。磷酸鐵鋰電池即便是經(jīng)過(guò)3000次0-?100?%的充放電使用，容量也才會(huì)衰減到80%，所以磷酸鐵鋰電池的電池管理系統(tǒng)就沒(méi)那么復(fù)雜，也就進(jìn)一步降低了整車研發(fā)成本。2015年，比亞迪純電動(dòng)大巴車采用的就是磷酸鐵鋰電池驅(qū)動(dòng)的。

（2）原料成本

相較于磷酸鐵鋰電池而言，三元電池需要用到更多的貴金屬，*主要的就在于鈷礦石。其實(shí)咱們國(guó)家的鋰礦、氧化鐵磷酸鹽儲(chǔ)量豐富，制造磷酸鐵鋰電池有優(yōu)勢(shì)。而我國(guó)缺乏鈷礦，制造必須采用鈷元素的三元鋰電池會(huì)有些困難。所以，我國(guó)許多車企（包括電池企業(yè)）在早期階段，發(fā)展磷酸鐵鋰電池是很現(xiàn)實(shí)的。比如2015年國(guó)內(nèi)主流的電池廠商生產(chǎn)的都是磷酸鐵鋰電池。當(dāng)時(shí)，市面上采用三元鋰電池的電動(dòng)車，動(dòng)力電池基本都是國(guó)外品牌產(chǎn)品（日本松下，韓國(guó)SK等），價(jià)格也相應(yīng)要比采用磷酸鐵鋰電池的車型（同級(jí)別）貴一些。

6.安?全性對(duì)比

三元鋰材料會(huì)在200度左右發(fā)生分解。并且化學(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，更會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)。而磷酸鐵鋰在700-800度時(shí)才會(huì)發(fā)生分解，不會(huì)像三元鋰材料一樣釋放氧分子，燃燒沒(méi)那么劇烈。

說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。內(nèi)部短路或是正極材料遇水，都會(huì)有明火產(chǎn)生。所以一般18650電池都會(huì)有一層鋼殼保護(hù)。特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，雖然進(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。

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(huì)爆炸燃燒，遭到350℃的高溫也不會(huì)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(huán)壽命對(duì)比

對(duì)于家庭用車來(lái)說(shuō)，三元材料和磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的額定循環(huán)壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了實(shí)際用戶的使用習(xí)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(huán)1000次之后，電池容量依然能夠保持在*初的90%以上。假設(shè)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(lái)計(jì)算，使用1年需要充大約120次電，循環(huán)壽命1000次使用完畢大約需要8年時(shí)間，這也基本超過(guò)了目前我國(guó)消費(fèi)者平均的換車周期。

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三、演變路徑

梳理一下上面的對(duì)比，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了應(yīng)用成本高、安?全性低以外，在其他方面（續(xù)航能力、抗衰退能力、穩(wěn)定性方面），三元鋰電池各方面屬性都比磷酸鐵鋰電池優(yōu)?秀。

兩種鋰電池特點(diǎn)對(duì)照表：

三元鋰電池（18650）

磷酸鐵鋰電池

安?全性（相對(duì)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(biāo)稱電壓（V）

3.8

3.2

抗衰退能力（壽命）

低

高

應(yīng)用成本（我國(guó)）

高

低

抗低溫衰減能力

強(qiáng)

弱

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1.現(xiàn)實(shí)情況

如果能夠解決安?全缺陷的問(wèn)題，三元鋰電池應(yīng)該是比較理想的選擇。但實(shí)際情況是，2016年之前，我國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)中，磷酸鐵鋰電池占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額，并且在逐年增加。以2015年11月數(shù)據(jù)為例，磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)大巴裝機(jī)量占比達(dá)到64.9%，三元鋰電池裝機(jī)量為27.6%；到了2016年上半年，磷酸鐵鋰電池出貨量達(dá)4.9GWh，占比上升為74%，而三元電池出貨量1.53GWh，占比僅為23%。主要原因是，政府和市場(chǎng)對(duì)三元鋰電池的安?全問(wèn)題比較謹(jǐn)慎，限制了其應(yīng)用。

2016年初，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)張相木說(shuō)：「工信部將組織開(kāi)展對(duì)三元鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在評(píng)估完成前，暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄。」這也意味著，三元電池暫時(shí)被禁用在客車上。后來(lái)，工信部解釋，禁止三元電池在客車中的使用，主要是考慮到，相較于乘用車，客車發(fā)生安?全隱患后，因?yàn)檐囬T少，人數(shù)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(yīng)用的可能性

那么，三元電池的安?全問(wèn)題能夠解決嗎？如果從根本上無(wú)法解決，這種技術(shù)就永遠(yuǎn)不可能稱為主流，而如有技術(shù)上的可能性，那么更加安?全的三元電池遲早是市場(chǎng)未來(lái)的方向。

回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先得說(shuō)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?yàn)槿嚥牧虾土姿徼F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。而鋰電池由于自身特性，一般都必須要有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System），其主要功能包括過(guò)充保護(hù)（OVP）、過(guò)放保護(hù)（UVP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）、過(guò)流保護(hù)（OCP）等功能，一旦發(fā)生意外，能夠立刻切斷電流。

所以，單純認(rèn)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。*終決定安?全性的，是整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)。如果電池?zé)峤饬?，先得?wèn)問(wèn)電池管理系統(tǒng)（BMS）是不是合格的。換句話說(shuō)，性能良好的三元電池，其安?全性是可以通過(guò)改進(jìn)電池管理系統(tǒng)來(lái)解決的。

另一方面，從實(shí)際發(fā)生的電池事故來(lái)看，也可以得到驗(yàn)證。純電動(dòng)客車已經(jīng)發(fā)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(wèn)題的可行性

解決三元鋰電池安?全問(wèn)題的途徑有很多，也很復(fù)雜。出于篇幅和時(shí)間的考慮，本文不再贅述。后續(xù)有時(shí)間會(huì)再單獨(dú)梳理講解。這里，先講一下實(shí)踐中的情況：三元鋰電池的安?全問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)技術(shù)改良的手段正得到解決，并且在不斷完善。

以比克18650電池產(chǎn)品為例，在單體電芯工藝上，比克選擇在正負(fù)極分別配置保護(hù)添加劑和反應(yīng)性添加劑，阻止電解液分解導(dǎo)致的安?全問(wèn)題。同時(shí)添加陶瓷隔膜和負(fù)極陶瓷涂層等安?全防護(hù)手段，從根源控制事故的產(chǎn)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(huì)對(duì)其他電池造成影響。

也正是因?yàn)榘?/span>?全問(wèn)題逐步得到解決，三元鋰電池僅僅在時(shí)隔1年后，就被政府解禁。

2016年底，工信部召開(kāi)了關(guān)于進(jìn)一步做好新能源汽車推廣應(yīng)用安?全監(jiān)管工作的宣貫會(huì),會(huì)議指出，自2017年1月1日起,電動(dòng)客車安?全?國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前,新能源客車暫按《電動(dòng)客車安?全技術(shù)條件》的要求執(zhí)行。在《電動(dòng)客車安?全技術(shù)條件》中，對(duì)可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)有“蓄電池單元熱失控試驗(yàn)”和“可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)展試驗(yàn)”等測(cè)試要求。同時(shí)，新申請(qǐng)《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》的使用三元電池的客車,應(yīng)同時(shí)補(bǔ)交第三方檢測(cè)報(bào)告。這一條款表明，在通過(guò)熱失控試驗(yàn)和熱失控?cái)U(kuò)展試驗(yàn)測(cè)試的前提下，三元鋰電池客車可申請(qǐng)推薦目錄，標(biāo)志著三元電池在客車上的應(yīng)用自2017年1月1日起解禁。

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這也意味著，三元鋰電池逐步取代磷酸鐵鋰電池，成為動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流技術(shù)產(chǎn)品，將是確定性的演變趨勢(shì)。無(wú)論是特斯拉還是寶馬i3，都早已選擇三元鋰電池作為動(dòng)力電池，而在中國(guó)，像江淮、比亞迪、北汽等不少汽車廠商也開(kāi)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(chǎn)三元鋰電池。隨著這一趨勢(shì)演變的發(fā)生，鋰電池市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)鏈將發(fā)生微妙的變化并蘊(yùn)含巨大的投資機(jī)會(huì)。

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