鉅大LARGE | 點擊量：267次 | 2023年10月19日
鋰電池家族發(fā)展的現(xiàn)狀和前景
通常我們說得最多的動力鋰電池基本上屬于鋰電池，簡稱鋰電池。一顆合格的鋰電池，基本組成包括外殼、正極材料、負極材料、隔膜、電解液等。其中，正負極材料有關鋰電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等起著決定性用途，占鋰電池成本的40%，其技術發(fā)展尤為關鍵。如今動力鋰電池材料的派別大概分磷酸鐵鋰和三元材料，新興材料也漸露頭角，著手爭奪未來新一代的地位。
鋰電池家族比拼升級：磷酸鐵鋰星光暗淡，三元材料后程發(fā)力
自鋰電池問世以來，圍繞它的研究、開發(fā)工作一直不斷地進行著，上世紀90年代末又開發(fā)出鋰聚合物電池，2002年后則推出磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的全名應是磷酸鐵鋰鋰電池，一般簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于動力方面的應用，則在名稱中加入"動力"兩字，即磷酸鐵鋰動力鋰電池。也有人把它稱為"鋰鐵（LiFe）動力鋰電池"。
磷酸鐵鋰動力鋰電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。在乘用車以及商用車領域目前應用較廣的是小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力鋰電池，其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm（型號為18650）也就是大家常說的18650電池。
磷酸鐵鋰電池仍占一席之地
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而磷酸鐵鋰電池能夠成為動力鋰電池中的主力，歸功于：高效率輸出，標準放電為2～5C、持續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10S）可達20C；高安全性，電池的結構簡單而穩(wěn)定；極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%；可快速充電；低成本；對環(huán)境無污染。
三元材料電池指的是以三元材料為正極材料的鋰電池。三元材料指的是Ni、Co、Mn或Ni、Co、Al三種金屬元素為核心元素的正極材料。隨著美國TSLA電動汽車進入我國，能量密度高、續(xù)航能力強的三元鋰電池逐漸替代以磷酸鐵鋰為主的國內電池，正常來講，用作動力鋰電池的三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池。
在倍率放電方面，雖然三元鋰電池不如磷酸鐵鋰，但是純電動汽車電池容量大，電機功率大多不太大，高倍率放電的情況很少，缺點表露的不明顯。在壽命方面，三元鋰電池不如磷酸鐵鋰。而對插電混合動力汽車來說，電池經(jīng)常要高倍率放電，而且充放次數(shù)較多，有關高倍率性能不佳、壽命較短的三元鋰電池來說并不合適。所以，在電池路線上，很多插電混合動力汽車和純電動客車依然應該堅持磷酸鐵鋰路線。目前銷售較好的大多是商用車，特別是城市公交，大客車。這類汽車高倍率放電次數(shù)極少，電池容量大，對充放電時間不敏感，而對成本、續(xù)航有要求。但是在乘用車市場上，考慮的因素有很大不同，由于乘用車留給電池的空間不多，所以鑒于目前磷酸鐵鋰電池能量密度已經(jīng)基本達到理論的極致，而三元電池的能量密度還有很大的提升空間，不少廠商紛紛著手研發(fā)和應用三元材料，就連比亞迪這種磷酸鐵鋰"死忠粉"，也已經(jīng)開始動搖了。
雖說磷酸鐵鋰在能量密度上已經(jīng)無法和三元材料比擬，但是在市場應用上，以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池較為簡單，不要太多保護輔助設備，而三元電池雖然電池電芯密度很高，但由于其安全性差不耐高溫，所以必須結合一套復雜的電池保護設備，而這些設備都加大了汽車的重量，使得三元電池在能量密度上的優(yōu)勢削弱了，目前無法完全取代磷酸鐵鋰。綜合能量密度、循環(huán)壽命、低溫性能等方面，三元電池綜合性能優(yōu)于磷酸鐵鋰電池，但是在穩(wěn)定性以及成本上，磷酸鐵鋰仍具有牢固的地位。
總的來說，作為目前動力鋰電池的主力軍，磷酸鐵鋰的電池能量密度已經(jīng)基本達到理論的極致，但是由于成本，安全等方面的優(yōu)勢，使得在工業(yè)化生產上仍被需求。
未來格局：負極材料或制霸新一代鋰電池
鈦酸鋰電池
首先是最近火熱的鈦酸鋰電池，這位說起來和前面介紹的兩位"大哥"略有不同，因為鈦酸鋰電池的技術在于負極材料，是將石墨更換為新型高比表面積的納米級鈦酸鋰負極材料，可和錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成鋰離子二次電池。這樣的組合能夠充電更快（6c至10c），安全性更高，工作環(huán)境適用溫度范圍為-40至60攝氏度，并且鈦酸鋰負極的無SEI膜結構使得防止了電池過熱導致的起火；低溫充電壽命更長，鈦酸鋰晶狀結構比石墨層狀結構更穩(wěn)定，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成材料變形，大大提高了電池的循環(huán)壽命（100%充放>25000次）。
相比于老大哥"磷酸鐵鋰"，優(yōu)勢在于：一是充電速度快，鈦酸鋰電池能夠10分鐘快速充電，是磷酸鐵鋰電池充電速度的20倍以上；二是電池衰減速度慢，電池壽命長。鈦酸鋰電池實際使用壽命為6～8年，磷酸鐵鋰電池僅為2～3年。可以預見：鈦酸鋰材料在2－3年后，有可能會成為新一代鋰電池的負極材料而被廣泛應用在新能源汽車領域。
鋰硫電池
在對能量密度需求大幅新增的背景下，鋰電池家族中的鋰硫電池漸露頭角，而且也是在陰極材料上取得突破。2014年六月份，美國的研究人員研制出了一種廉價、高功率的鋰硫電池。這種鋰硫電池的工作原理類似鋰電池，但是利用硫來代替了重金屬。由于硫具有比金屬更多的氧化能力而且借助于硫的特性，鋰硫電池具有同質量鋰電池四到五倍的能量儲存能力。而鋰硫電池之所以備受眾人期待，不僅僅是其強大的能力密度，更重要的是硫作為一種工業(yè)原料，相比于鈦、鈷、鎳這些重金屬，有著相當便宜的價格，在未來的工業(yè)化進程中，很有潛力。
目前，牛津大學的OXIS能源生產的鋰硫電池理論上能夠達到300Whr以上，而一般的鋰電池只能達到140Whr左右。不過有得必有失，有一個先天弱點不容忽視：鋰硫電池的電極會逐漸溶解到電解液中，并且鋰電池充放電循環(huán)過程中部分金屬鋰會沉積，形成長長的細絲"枝晶"，這會引起電池短路，造成安全隱患。而生產鋰硫電池的OXIS能源也不負眾望，開發(fā)出一種新發(fā)現(xiàn)的單原子厚度的鋰化石墨烯來嘗試解決這個問題。
觀點：眾位選手比拼到現(xiàn)在，其實仍然沒有誰能真正代替誰，甚至都沒有誰能完全滿足新能源汽車動力鋰電池的技術要求。前不久，鋁離子電池登臺，鋰電池遭遇到強勁的對手，而潛在的空氣電池或燃料動力鋰電池等，都擁有很多鋰電池無法企及的優(yōu)點，非議眾多的石墨烯電池也有可能脫穎而出。目前，多項新型電池技術已在實驗室中誕生，并朝產業(yè)化逼近，而動力鋰電池的未來，充滿無限可能。
