鉅大LARGE | 點擊量：1754次 | 2022年02月16日
鋰離子電池幾類正極材料的比較
首先糾正一個概念，“鋰電”是我們一般說的“鋰離子電池”的簡稱，而有些人說的“鐵電”，其實是使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池，它是“鋰電”的一種。
特斯拉為什么使用松下18650鋰電池？
OK，現(xiàn)在開始回答，先說簡單版通俗型摘要：
特斯拉使用的松下18650鋰電池，以NCA為正極，并且設(shè)計了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)，從而盡可能保證和提高了電池工作的高效性與安全性。至于是否絕對的安全，這個無法回答，你如果想說自燃，我還想說汽油車夏天也自燃呢。
鋰電池幾類正極材料的對比：三元材料有優(yōu)勢磷酸鐵鋰安全
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
對于純電動汽車（不考慮插電混動以及純混，人家可以靠汽油開掛），我們最最糾結(jié)的是什么？里程焦慮，就是開不遠，因為電池的能存儲的能量密度太低，車用電池成組后現(xiàn)在一般也就100~150Wh/kg的能量密度，汽油的這個數(shù)值大概是10000……所以哪怕你像烏龜一樣背一車電池都不見得解決問題。大家天天吐槽電動汽車天天充電跑不遠半路沒電了怎么辦，都是能量密度太低給害的。
現(xiàn)在電池技術(shù)的最大短板，就是能量密度太低，落后于摩爾定律無窮遠……別扯那些鋰空什么的，即使它們能量密度也不夠高，關(guān)鍵是離實用還遠……
所以至于為什么不采用磷酸鐵鋰電池，我想說，主要原因，應(yīng)該是容量（Capacity單位是Ah），以及能量（Energy，即容量的Ah乘以電壓，得到Wh）偏低（磷酸鐵鋰容量比三元低一點，電壓還低，只有3.4V，所以乘出來的能量就更低了）。
實際的汽車用電池組都是串并聯(lián)組合出來的，需要用串聯(lián)來提高電壓，此時，單節(jié)單池的電壓以及不同電池之間的容量一致性顯得非常重要，光說容量低是不嚴謹?shù)摹?/p>
本人的工作就是在國內(nèi)某研究所做磷酸鐵鋰的某升級產(chǎn)品的研發(fā)，還同時亂看一些其它材料，鋰電池和電動汽車的東西，所以在這里答一下。
要對比幾種正極材料，我們就必須引入這個圖，即五個重要性能判據(jù)：
鋰電池幾類正極材料的對比：三元材料有優(yōu)勢磷酸鐵鋰安全
Power功率，Life壽命，Cost成本，Safety安全，以及Energy能量。
對比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA，LCO鈷酸鋰，LFP磷酸鐵鋰，LMO錳酸鋰。NCA和NCM比較相近，算是材料中的近親，因此在這里歸為一類說。
LCO=LiCoO2，layered，NMC=LiNixMnyCozO2，layered，NCA=LiNi1-y-zCoyAlzO2，layered，LMO=LiMn2O4spinel，LFP=LiFePO4olivine
LFP材料
Energy能量最低（悲劇，容量低是一方面，3.4V的低電壓才是問題，反面例子就是鎳錳酸鋰尖晶石，電壓4.7V）。篇幅所限，就不在這里放充放電曲線了。
Power功率一點也不低（在鄙研究所自制的中試級磷酸鐵鋰，5C可以做到130mAh/g滴（當(dāng)然PHOSTECH的也可以......）。包碳+納米化材料倍率性能還是很強大的！
Life壽命和Safety安全性最優(yōu)，這主要得益于該材料中聚陰離子PO43-的結(jié)合作用，使得氧結(jié)合的更好，與電解液的反應(yīng)活性低，不像三元材料那樣更容易出現(xiàn)一些產(chǎn)生氧氣鼓泡等現(xiàn)象。壽命上，一般認為可以>4000次循環(huán)。
Cost成本，磷酸鐵鋰還不錯，成本上僅次于LMO錳酸鋰材料（這個東西，空氣燒，錳源又便宜），第二有競爭力。磷酸鐵鋰的原料，磷鐵鋰都比較便宜，但是做成納米粉需要一些成本，熱處理又要在惰性氣氛下進行，種種工藝要求，導(dǎo)致該材料的成本（國產(chǎn)的大約10W/t）不像LMO那么低（6~7W/t），但是比起NMC（13W/t），LCO（更貴）還是便宜一些的。
原因：鈷比鎳貴（我國貧鈷啊有沒有），鎳比錳鐵要貴，用什么原料，有什么成本。
然后再對比分析以下
NCM/NCA材料
能量最有優(yōu)勢（電動汽車就想跑遠點，這個最重要）。此外隨著高鎳NCM材料的研發(fā)推出，這個材料的能量密度還能有進一步的提升。
功率還可以（其實也夠用了，對于純電動汽車，能量比功率特性更為重要，對于豐田Prius這種混動車，功率特性才更重要，但前提是能量不能太挫）
壽命，也不錯。之前的時候，三元材料可能壽命在1000次左右，但是近幾年來隨研發(fā)工作的進展，該材料的壽命已經(jīng)可以達到2000周（好像標(biāo)準(zhǔn)是還能保持80%還是多少，記不清了），這就已經(jīng)很可觀了，比如你電動汽車，一天一充，一年365次，2000次夠你6年了，好多人這時都打算換車啦。
成本有點高（先承認這點）。
畢竟用了些鎳鈷金屬，成本高點正常，但是這個材料至少比LCO鈷酸鋰便宜，所以以后在日常電子消費品領(lǐng)域，取代LCO材料還是比較有前途的。
安全差，尤其是相對于磷酸鐵鋰而言，NCM/NCA材料充電時會往外冒氧氣，使用中出事的可能性也高于LFP材料，三元材料電池安全性一直存在一些問題。
但是說到這里，電池里不只有正極材料，我們還可以通過電解液成分調(diào)節(jié)，隔膜優(yōu)化（陶瓷隔膜神馬）以及優(yōu)化電池控制系統(tǒng)（冷卻，安全防護）來減輕這個問題。雖然NCM/NCA材料的安全性一直算是個問題，但是還是有提高的空間和解決的辦法的。說能完全解決安全問題的，我認為都是在耍流氓。電池控制系統(tǒng)，是盡可能提高安全度，不可能保證100%安全。
哪個更安全？
所以在此對比一下這兩個材料，最重要的能量密度上NCM/NCA完勝，壽命上NCM/NCA不差，安全上NCM/NCA差些，但是不嚴重，功率不算太重要，兩者都不錯，成本上NCM/NCA高一點。
但是在這里注意了：成本上NCM/NCA高，是單位質(zhì)量的成本(rmb/kg)。
考慮到單位質(zhì)量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg)，所以折合成單位能量的成本的話(rmb/Wh)，NCM/NCA還更有優(yōu)勢一些，所以從單位材料的成本來單純計算，結(jié)果可能是比較有欺騙性的。
說到這里，我忍不住要吐槽：你們天天嫌電動車貴，就是因為電池用的多，就是因為單位能量的成本（rmb/Wh）這個數(shù)太高，其實真的很難降啊，我們都快喝西北風(fēng)了啊。
另外一點，就是磷酸鐵鋰放電平臺太平，不好做電池控制系統(tǒng)啊，NCM/NCA這方面就要好些。
不過作為一名磷酸鐵鋰研究狗，我也得為我們的材料說幾句話：在追求安全性、倍率性的場合，磷酸鐵鋰電池還是有優(yōu)勢的，尤其是請?zhí)焯斐持妱榆嚒㈦姵夭话踩娜硕酁槲覀兞姿徼F鋰投票。
此外磷酸鐵鋰不需要用鎳鈷這些玩意，對于國家資源安全是有所幫助的（好吧，其實也用不太多，不過這產(chǎn)業(yè)一旦大了用量也可觀）；
還有，磷酸鐵鋰材料畢竟壽命還是最好的，所以在某些要求時間的場合，它有優(yōu)勢（比如有的電池便宜，但是壽命可能只是磷酸鐵鋰的一半不到，折合使用時間后成本就不一樣了，我才不告訴你是LMO呢），大家要學(xué)會算賬。
在一些能量密度要求不是特別高的場合，磷酸鐵鋰還是有優(yōu)勢的，比如儲能等新領(lǐng)域。當(dāng)然，如果你對高電壓磷酸錳鐵鋰材料有興趣的話，我只想說四個字：請聯(lián)系我。
所以，說來說去，為了讓純電動汽車跑的更遠，能量密度更高的電池更受青睞。
下一篇：溫度對幾種鋰離子電池的影響
