鉅大LARGE | 點擊量：244次 | 2023年08月24日
鋰電池是人類的未來 但誰又是鋰電池的未來？
去年這個時候，我曾寫了一系列文章，用以討論動力鋰電池技術(shù)路線的選擇，其中詳盡比較了鋰電池、燃料動力鋰電池、超級電容的優(yōu)劣。
最終結(jié)果是鋰電池輕松勝出。
那些認(rèn)為日本的燃料動力鋰電池代表未來的人，其實思維還停留在燃油車的時代，只不過是把加油站替換成了加氫站。
至于超級電容，在特定領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢——例如軌道交通能量回收、塔吊能量回收、汽車動能回收裝置；而在動力汽車領(lǐng)域，由于能量密度和成本的問題，無法成為未來可行的技術(shù)路線。
故而毫無疑問，在即將到來的電動汽車革命中，鋰電池將是真正的主角，是未來十年甚至二十年的不可動搖的路線。
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%
而且，一旦鋰動力鋰電池經(jīng)過十多年的發(fā)展，全產(chǎn)業(yè)鏈上下形成穩(wěn)定、完整、成熟的配套后（產(chǎn)業(yè)配套是巨大護(hù)城河，整個產(chǎn)業(yè)鏈成熟起來，投資可能要數(shù)萬億，這是任何其他新的技術(shù)路線難以逾越的障礙），鋰動力鋰電池的技術(shù)路線就更加難以動搖。
所以，鋰電池是這場擂臺賽中毫無疑問的冠軍。
但是鋰電池技術(shù)路線內(nèi)部還有多種技術(shù)路線，大致有鈷酸鋰、鈦酸鋰、錳酸鋰、鐵酸鋰、三元電池等等，朋友們或許更關(guān)注這些技術(shù)路線哪一種更具有優(yōu)勢。
為了厘清這一問題，筆者將在本文中進(jìn)行一系列的深入探討，不足之處各位朋友文后留言不吝指正。
初選
先說鈷酸鋰：循環(huán)性能太差，且大量使用了極其稀有的金屬鈷，缺點太過明顯，其宿命唯有淘汰。
再說鈦酸鋰：高充電倍率，壽命長；但也有一個鮮明的缺點——能量密度太低，導(dǎo)致成本過高。
其特性類似于超級電容，這個致命缺點也阻礙其成為動力鋰電池主流路線，故而也無法在初選中脫穎而出。
第三說下錳酸鋰：成本低，充電倍率高；但是高溫性能差、循環(huán)性不佳。
故而很少直接選用錳酸鋰作為動力鋰電池，而是同時添加其他材料形成改性電池，例如鎳、鈷成為鎳鈷錳電池，從而實現(xiàn)各項性能的均衡。
但是經(jīng)過這些改進(jìn)之后，已經(jīng)不再是簡單的錳酸鋰電池了，而是成為了三元電池類型中的一種。
這樣的論述結(jié)果表明：錳酸鋰也要被淘汰。
在鋰電池眾多的技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰vs三元電池兩種技術(shù)路線的對決最為膠著。
磷酸鐵鋰安全性高，壽命長，但是能量密度低，低溫性能差，一致性差；
三元電池能量密度高，一致性好，低溫性能好，成本較低，但是安全性能差，循環(huán)壽命不如鐵鋰電池。
當(dāng)前，磷酸鐵鋰最成熟的產(chǎn)業(yè)鏈在我國，我們對相關(guān)領(lǐng)域掌握的核心技術(shù)也較多；而三元電池則以日韓為代表，且更成熟一些。
所以這兩種技術(shù)路線的對決更加有一種我國vs日韓的意味。
過去的一年中，我仍然每天孜孜不倦的思考這個問題，大量閱讀相關(guān)領(lǐng)域的文章，閱讀眾多對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)專家的訪談，思考兩種動力鋰電池技術(shù)路線的優(yōu)劣。
終于在今天我自認(rèn)為有了一個較為清晰的認(rèn)識，下決心完成這篇拖了一年多的稿子，好了，廢話不多說，決賽打擂正式開始!
決賽
評價動力鋰電池性能大致有以下7個維度：
1、安全性
2、能量密度
3、循環(huán)壽命
4、成本
5、充電倍率
6、電池單體一致性
7、低溫性能
作為一種合格的技術(shù)路線，在以上任何一個方面都不能有太過鮮明的缺點，要做到各方面的均衡才能是一種具有可行性的路線。
1、安全性
這個方面磷酸鐵鋰電池有著鮮明的優(yōu)勢：溫度達(dá)到480°以上才會分解，能通過針刺、火燒等嚴(yán)酷試驗。
以鎳鈷鋁為代表的三元電池，則在180°就會分解并釋放出氣體，并且反應(yīng)更加劇烈。
這一局迅速有了結(jié)果，鐵鋰電池勝。
2、能量密度
磷酸鐵鋰電池由于材料的緣故，放電平臺的電壓更低，只有3.2V；且壓實密度很低，只有2.2~2.5左右，這些都導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的理論能量密度不高，只有178wh/kg。
而磷酸鐵鋰的領(lǐng)先廠商比亞迪目前已經(jīng)把電芯單體的能量密度做到了147wh/kg，比亞迪電池事業(yè)部老總王文峰宣稱要在2018年把磷酸鐵鋰做到160wh/kg。
這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就，但已經(jīng)逼近這一電池路線能量密度的理論上限，未來很難再有大的提升。
而反觀鎳鈷鋁（NCA）三元電池（TSLA采用），當(dāng)前18650電池能量密度是245wh/kg,未來在model3上使用的20700電池要把能量密度做到300wh/kg以上。
國內(nèi)很多產(chǎn)商選擇鎳鈷錳（NCM）三元鋰電池技術(shù)路線，它的理論能量密度上線是280wh/kg，大疆無人機(jī)身上的鋰電池就是使用的這種鋰電池，當(dāng)前80%的無人機(jī)鋰電池由廣東的廠商供應(yīng)。
我看了一下參數(shù)，當(dāng)先規(guī)模化生產(chǎn)后的鎳鈷錳鋰電池的能量密度可以做到190wh/kg的水平，距離理論密度上限還有較大距離，還有較大提升空間。
在不久的未來，理想情況下能量密度可以做到230wh/kg以上，電池組整體的能量密度依然可以做到200wh/kg以上，比磷酸鐵鋰高40%左右。
另外磷酸鐵鋰壓實密度較低，這就導(dǎo)致了同等電池容量下，磷酸鐵鋰的體積更大。
經(jīng)比較測算比亞迪e6電池組和TSLAmodels的電池組后得出結(jié)論，同等電池容量下，磷酸鐵鋰的體積要比鎳鈷鋁三元電池大48%。
把能量密度和安全性這兩個參數(shù)放在一起評價我們就可以發(fā)現(xiàn)，能量密度和安全性這兩個指標(biāo)是一對天生的敵人，其實通過最簡單的物理學(xué)和化學(xué)知識我們就可以了解，能量密度越高，它就越不穩(wěn)定，越不安全。
3、循環(huán)壽命
在評價這個方面的性能時，我接接觸的信息讓我頭疼。
就以磷酸鐵鋰為例，有文章說壽命是2000次，王傳福說他的鐵鋰電池壽命能達(dá)到4000次以上，甚至還有文章說全周期壽命能達(dá)到2萬次。
差距如此之大的數(shù)據(jù)令我頭暈，要反復(fù)仔細(xì)甄別才能有一個正確認(rèn)知；后來發(fā)現(xiàn)以上說法都"不錯"，只不過是他們評價標(biāo)準(zhǔn)不同罷了。
說壽命只有2000次的，是按照1C充電倍率反復(fù)沖放，電池容量在標(biāo)定容量80%以下時即認(rèn)為壽命終止（這是一個極其嚴(yán)苛的充放電測試，1C的速率意味著1小時把電池充滿）。
王傳?？谥械?000次，則更可能是通常使用條件下，根據(jù)大量已經(jīng)上路的e6運(yùn)營實測的結(jié)果。
而最后所謂2萬次則是全使用周期下的結(jié)果。
因為電池容量低于標(biāo)定的80%并不意味著這個電池徹底不能用了，畢竟還有80%的容量，此時的電池可以取下來梯次利用，用作儲能電站，在合理電流合理溫度合理使用環(huán)境下可以達(dá)到2萬次的反復(fù)充放電。
但無論怎么樣，磷酸鐵鋰的使用壽命都明顯長于三元電池。
三元電池在1C充放倍率，反復(fù)充放800次左右，實際容量就已經(jīng)低于標(biāo)定容量的80%了，從這個角度看，鐵鋰電池甚至是三元電池壽命的三倍。
但實際使用中也并不是這樣，由于磷酸鐵鋰電池的一致性較難控制，使得鐵鋰電池電池組的整體壽命短一些，并沒有壽命可以達(dá)到三元電池3倍那么夸張。
但無論如何，循環(huán)壽命這一項，鐵鋰勝出。
4、成本
有些人認(rèn)為磷酸鐵鋰的正極材料當(dāng)中不使用稀有金屬，而三元電池則要使用到鈷、鎳等較為貴重的金屬，所以就理所當(dāng)然的認(rèn)為磷酸鐵鋰的成本更低一些，這其實是一個認(rèn)識上的誤區(qū)。
磷酸鐵鋰的放電電壓3.2V，三元電池的放電電壓平臺在3.8V，更高的放電電壓意味著更高啊的電池容量，這就意味著同等材料消耗情況下，三元電池的容量更大。
或者反過來說也相同：同等容量的電池，三元電池消耗原材料更少。
尤其是當(dāng)鋰電池必不可少的碳酸鋰價格從去年4萬元飆漲到當(dāng)前的15萬元后，碳酸鋰材料消耗量更大的鐵鋰電池的成本問題就凸現(xiàn)出來，根據(jù)國軒高科董事長李縝的數(shù)據(jù)，當(dāng)前國軒高科三元電池的成本反倒比鐵鋰電池低10~15%。
現(xiàn)在三元電池走向了高鋁高鎳、低鈷的技術(shù)路線，對昂貴的稀有金屬消耗量降低。
去年全球鈷產(chǎn)量9.8萬噸，其中40%用于鋰電池，消耗量并不算非常大。而且鈷資源依然處于供過于求的狀態(tài)，當(dāng)前20萬/噸的價格處于歷史上的低位。
去年鋰電池產(chǎn)業(yè)的火爆也沒有帶動鈷資源的飆漲，多種因素導(dǎo)致當(dāng)前鐵鋰電池的成本要高于三元電池。
但我們要以動態(tài)的眼光看待二者的成本比較，要認(rèn)識到，在碳酸鋰價格大漲之前，磷酸鐵鋰的成本是略低于三元電池的。
反過來思考，假如明年"鈷"資源供不應(yīng)求，也出現(xiàn)類似于碳酸鋰相同的4倍甚至5倍的飆漲，那么三元電池的成本也就水漲船高。
總之，兩種技術(shù)路線的成本不分伯仲，具體到某一時間點，和上游原材料價格有很大關(guān)系。
長期來看，我認(rèn)為碳酸鋰15萬/噸的價格不具有可持續(xù)性，因為鋰并不是稀缺資源，國內(nèi)天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)等眾多廠商碳酸鋰每噸生產(chǎn)成本約為2.9萬~3.5萬元之間，而鹽湖股份的子公司藍(lán)科鋰業(yè)更是宣稱成本只有1.9萬元/噸。
當(dāng)前碳酸鋰行業(yè)，可謂是暴利行業(yè)，3萬元的成本，15萬元的價格，整整翻了5倍。
巨大的利潤誘惑自然便是瘋狂的擴(kuò)產(chǎn)，全產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都在成倍的擴(kuò)充產(chǎn)量，藍(lán)科鋰業(yè)更是成數(shù)十倍的擴(kuò)充產(chǎn)量，雖然需求也會繼續(xù)跟著上升，但產(chǎn)量的擴(kuò)張更瘋狂。
當(dāng)不久的將來，上游原材料的價格發(fā)生變動，碳酸鋰和三元的成本孰高孰低還未可知。
這一項，二者平手。
5、充電倍率
先說結(jié)論吧，在充電倍率方面磷酸鐵鋰大幅度的領(lǐng)先。
其實前年在闡述電池壽命的時候就已經(jīng)能得出結(jié)論：磷酸鐵鋰電池在高充電倍率下，壽命明顯好于三元電池。
美國a123公司（現(xiàn)在為萬向子公司）甚至在實驗室里做出了25C倍率充電的磷酸鐵鋰電池（25C倍率充電意味著60÷25=2.4分鐘把電池充滿）。
充放電倍率方面，鐵鋰大幅度勝出。
6、電池單體一致性
使用鎳鈷鋁三元的TSLAmodels的電池組中有7000節(jié)小電池串聯(lián)、并聯(lián)在一起，假如電池的一致性存在問題，那么后果就是災(zāi)難性的，因為串聯(lián)電池有一個木桶原理，性能最差的那一個電池影響電池組整體性能。
但使用磷酸鐵鋰的2014款秦混動車卻出現(xiàn)了讓人焦頭爛額的問題，標(biāo)定13kwh的電池，使用一年多以后很多車主就在反映只能充進(jìn)去8kwh的電量，衰減厲害。
前面我不是說磷酸鐵鋰壽命更長嗎？怎么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，這其實就是電池單體一致性的問題。
其實比亞迪2014款"秦"電動汽車所使用的電池，單個拿出來絕大部分可能沒有什么問題，電池返廠均衡后也能恢復(fù)原先的性能，但唯獨(dú)電池成組后就出問題了。
其實電池一致性問題并不是沒有辦法，辦法重要有兩個，一個是升級工藝，提升廠自動化水平以及控制精度。
另外一個就是做大單體電池容量，2014秦使用的是27AH的電池單體，而比亞迪K9則使用270ah單體容量的電池單體，相比于秦，K9的問題就少很多甚至不存在電池一致性問題。
最后就是改進(jìn)電池管理系統(tǒng)（BMS），這一方面我們也確實落后于歐美日。
相比于2014款秦，2015年推出的秦由于使用了全新的電池管理系統(tǒng)，在每一個小節(jié)的電池上都加裝了控制器方便更好的操控并且額外多出8節(jié)電池（就是說實際容量大于標(biāo)稱）。
電池一致性的問題已經(jīng)解決很多，但無論如何，在一致性方面，磷酸鐵鋰落后于三元電池。這一局：三元勝。
7、低溫性能
這一項結(jié)論很清晰：磷酸鐵鋰低溫性能差，三元更優(yōu)。
冬天里，電動汽車的續(xù)航里程都要變短，但磷酸鐵鋰電池問題更嚴(yán)重一些。但到底縮減多少呢？
還是要拿出清晰的數(shù)據(jù)來說話，就以新款400公里續(xù)航的比亞迪e6為例，進(jìn)入冬天后車主紛紛反映續(xù)航只能做到原先的60%，也就是240公里。
但這不能全怪罪于電池，根據(jù)熱脹冷縮的簡單原理，我們就了解進(jìn)入冬天后，汽車的胎壓會降低，而胎壓低則是導(dǎo)致續(xù)航縮短的重要原因，當(dāng)車主注意胎壓以及腳法后，續(xù)航可以恢復(fù)到標(biāo)稱的70%~75%，達(dá)到近300公里的續(xù)航，比標(biāo)稱的400公里少100公里。
問題是這100公里的續(xù)航哪里去了呢？答案在于空調(diào)。
傳統(tǒng)燃油車能量轉(zhuǎn)換效率只有不到30%，剩余70%的能量以廢熱的形式散發(fā)，進(jìn)入冬天以后，汽車打開暖風(fēng)并不要額外消耗汽油，只要把發(fā)動機(jī)散發(fā)出的廢熱吹送到駕駛室即可。
但電動汽車電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90%，并沒有額外的廢熱，假如冬天要開空調(diào)，就只能額外消耗電池里的能量。所以續(xù)航里程的縮減并不能完全怪罪于磷酸鐵鋰的低溫性能差。
使用三元電池的北汽ev200在冬天里相同明顯縮減，而且由于電池整體容量更低，本來續(xù)航只有200公里，打七折之后更只剩下140公里了，司機(jī)們叫苦不迭。
針對冬天，磷酸鐵鋰電池也有很多應(yīng)對辦法，例如材料納米化以及碳包覆，還有一個更簡單有效的辦法，就是給電池組安裝加熱裝置。
綜合來看，低溫對磷酸鐵鋰電池組對整體性能的影響＜10%。另外，由于三元電池也或多或少要收到低溫的影響，所以兩者在低溫下的性能實際差別其實就更小了。
但無論如何，低溫性能成為磷酸鐵鋰的一個短板，這一局三元勝!
以上7個方面的分析，幾乎覆蓋了動力鋰電池新能指標(biāo)的各個方面，在七場對決中，三元和鐵鋰慘烈廝殺，痛苦角逐，互有勝負(fù)，也有平手。
那么這7場對決后，我這個裁判能給出最終的結(jié)論嗎？或是你們這些讀者、觀眾更給出自己內(nèi)心的判斷嗎？到底誰才是當(dāng)之無愧的冠軍？
作為裁判的我，通過這么多分析論述后，只能遺憾地告訴大家，我無法下一個誰更優(yōu)的結(jié)論，所以本場打擂沒有冠軍或者都是冠軍。
決議
聽到這個結(jié)果有些人可能要生氣了，洋洋灑灑7000字，浪費(fèi)大家這么多時間和感情，讀到這里竟然只得到了平局結(jié)論，我這豈不是欠揍？!且慢，我們接著看下去。
雖然我不能給出一個簡單的結(jié)論，直接說出誰優(yōu)誰劣，但是結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境，就會有清晰的答案，因為一些具體的應(yīng)用環(huán)境，會彰顯某一方面的有點，遮蔽某些方面的劣勢。
1、儲能應(yīng)用情境
這還用說嗎!這個應(yīng)用情景磷酸鐵鋰獲得壓倒性的勝利。
儲能電站動輒上數(shù)千千瓦甚至數(shù)萬千瓦的電池堆放在一塊，假如使用三元電池，等同于把成噸的炸彈堆放在一起。
磷酸鐵鋰的長壽命也符合儲能的應(yīng)用需求，儲能電站往往會在偏郊建設(shè)，土地以及空間不成問題，遮蔽了磷酸鐵鋰能量密度低的劣勢。
尤其作為電網(wǎng)調(diào)頻的儲能電站，經(jīng)常要大倍率的充放，鐵鋰的充電倍率也滿足這一需求。在儲能應(yīng)用的場景下，磷酸鐵鋰的劣勢不再是劣勢，優(yōu)勢卻又十分突出。
所以，當(dāng)我們考慮這一應(yīng)用場景，磷酸鐵鋰是無可辯駁的冠軍。
這還用說嗎，你見過使用鐵鋰電池的無人機(jī)嗎？
毫無疑問，這又是另一個應(yīng)用場景的極端，這個領(lǐng)域，三元鋰電池占據(jù)著100%的市場份額。
能量密度的天生劣勢這一點，就判定了鐵鋰電池永遠(yuǎn)不可能應(yīng)用于無人機(jī)。
無人機(jī)鋰電池領(lǐng)域，三元電池完勝。
3、電動大巴以及電動商用車
這些車自重大、空間大，對重量敏感度低，公交車、大巴車由于乘客眾多，對安全性要求高；
這些車運(yùn)營時間長，對電池壽命要求高，這些特點都恰好發(fā)揮了磷酸鐵鋰的優(yōu)勢，遮蔽了磷酸鐵鋰的劣勢；
所以磷酸鐵鋰技術(shù)領(lǐng)先的比亞迪率先敢把純電動汽車應(yīng)用于公交車以及電動叉車、電動卡車等。就是憑著對鐵鋰電池安全、高充放倍率、長壽命的自信。
前段時間，國家暫停了三元電池大巴車的目錄申報，其實這在某種程度上宣告了三元電池在這一領(lǐng)域沒有應(yīng)用未來，電動公交大巴以及商用車領(lǐng)域，磷酸鐵鋰完勝。
4、插電式混合動力車
這個領(lǐng)域的爭議其實也很小，雖然現(xiàn)在的插電車都以磷酸鐵鋰為主，但比亞迪自己卻準(zhǔn)備開始拋棄這一技術(shù)路線了。
從秦唐100開始，比亞迪的插電式混合動力車將全面轉(zhuǎn)向鎳鈷錳三元電池，我認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變背后最核心的原因就在于磷酸鐵鋰小單體電池一致性問題。
這個領(lǐng)域，三元勝。
5、純電動乘用車
這又是一個膠著的戰(zhàn)場。首先純電動乘用車使用的磷酸鐵鋰是大單體，每個單體容量高達(dá)0.82千瓦時，比在插電混合動力車?yán)锩媸褂玫膯误w大十倍。
以秦ev300為例，整臺車僅僅只有58塊電池，這比起models的7000節(jié)電池，真是個零頭。
由于電池單體少，給每一個單體上安裝一個控制單元從成本角度也劃得來，進(jìn)而最大程度地解決一致性問題，再之，大單體電池的一致性問題也不是那么突出。
但這并不意味著磷酸鐵鋰在純電動乘用車領(lǐng)域獲勝，情況遠(yuǎn)比這個復(fù)雜。
由于磷酸鐵鋰密度低，同等容量下重量更大，這就導(dǎo)致使用磷酸鐵鋰電池的純電動汽車自重大，能耗高。比起北汽ev200百公里電耗14kwh，比亞迪e5百公里電耗要高一些在16kwh左右。
除此之外，乘用車日均行駛里程為46公里，比起公交車日均230公里，出租車日均400公里的行駛里程短太多，這就使得磷酸鐵鋰長壽命的特性發(fā)揮不出來，而三元電池壽命先對較短的劣勢也不那么致命；
再就是安全性，私人乘用車對安全性要求不如公交車那么嚴(yán)苛，但這也并不是說可以對安全性不管不顧，TSLAmodels的三元電池組之所以重達(dá)900kg，就是因為要額外的保護(hù)裝置保護(hù)電池組。
總之，在純電動乘用車，兩種電池路線又是一種膠著的狀態(tài)。
由于百公里平均電耗大家日常都能感受到，降低能耗又是國家的要求和方向，所以，兩種技術(shù)路線可能長期在純電動領(lǐng)域長期并存，三元略占優(yōu)。
總結(jié)以上五大應(yīng)用場景，我們可以了解鐵鋰電池和三元電池在各自特定領(lǐng)域有著不同的優(yōu)勢：鐵鋰適合用儲能和商用車；三元適合于插電混動車、乘用車、無人機(jī)等領(lǐng)域。
由于我國新能源車率先在商用車領(lǐng)域爆發(fā)，前些年使用鐵鋰電池更多一些；隨著電動汽車革命的深入，乘用車銷量的爆發(fā)，三元電池的占比會逐步提高。
但無論如何兩者將長期共存，國內(nèi)領(lǐng)先的電池公司也必將選擇兩條腿走路（同時生產(chǎn)三元電池和鐵鋰電池）的戰(zhàn)略。
