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磷酸铁锂电池能量密度未来能赶超三元锂电池吗

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磷酸铁锂电池能量密度未来能赶超三元锂电池吗

由于磷酸铁锂电池系统能量密度与补贴金额直接挂钩，倒逼电池企业尽快提升能量密度。在材料性能没有突破性进展的情况下，部分电池企业采用轻量化、减轻电池箱重量和做大电池尺寸等方式来提高能量密度，其安全性、循环寿命以及实际量产遭到了业内人士的质疑。

由于改进材料性能以提升铁锂电池单体比能量的作用比较有限，部分电池企业采用轻量化、减轻电池箱重量和把电池壳体做薄的方式来提高能量密度。磷酸铁锂电芯目前量产最高能量密度160wh/kg，明年还会进一步提升，预计能达到170wh/kg。

数据显示，2019年磷酸铁锂电池电芯的市场报价已降至0.7元/Wh以下，三元电池电芯的报价则在0.9元/Wh左右徘徊，两者差距开始扩大。据测算，以400km和250km续航车型为例，磷酸铁锂扣除补贴影响后综合成本比三元分别低5600元和3500元。伴随着2021年补贴的全面退出，磷酸铁锂的价格优势将不断凸显。

近年来，磷酸铁锂电池能量密度确实提升不少，将于2020年5-6月份推出的全新一代铁锂电池，体积比能量密度将提升50%，具有更高的安全性和更长的寿命，寿命可以达到8年或者120万公里，成本可以降低30%。在现有材料体系的大框架下，无论技术如何改进，磷酸铁锂动力电池电芯的能量密度达到300Wh/kg的希望都较为迷茫，相对来说，三元技术路线则较有希望。

根据报告预计，到2020年，中国新能源汽车市场的动力电池总需求量将接近5000万kWh，其中，磷酸铁锂电池还将经历2年的缓慢增长，到2019年，绝对需求量会下降，2020年快速下降到750万kWh左右；预计2018年纯电动客车领域将会对三元电池解禁，此后三元电池的需求量将会爆发，到2020年将会达到4250万kWh左右，从而基本完成对中国新能源汽车市场的统治，而磷酸铁锂电池则会将市场中心转移到储能领域。

磷酸铁锂电池与三元锂电池安全性对比

关于三元和磷酸铁锂的安全性争议持续了两三年，尤其是商用电动车究竟该使用哪种电池也一直众说纷纭，此前业内有一个“折中”的观点是：不同车型采用不同的电池，如乘用车看重续驶里程，采用高比能量的三元电池，客车更看重安全性，采用比能量相对低但稳定性更高的磷酸铁锂。

三元锂电池由于在200度左右会发生分解，并且分解后会产生更加剧烈的化学反应，因此在汽车碰撞时更容易着火，这也是三元锂电池普遍被认为不安全的地方，正是因为这个原因三元锂电池此前被暂停使用在客车上。

然而，安全性的好坏其实更取决于整个动力电池系统，尤其是电池管理系统，合格的BMS都可以在发生意外时切断电源避免着火，并不能仅因为三元锂材料容易热解就认为三元锂电池不安全。随着三元锂电池安全性重新被评估，客车将解禁三元锂电池，这无疑又释放了很大一块市场。

磷酸铁锂与三元的市场之争，至目前虽然还没有一个明确的定论，并且电池技术日新月异，不久的将来迎来革命性的变化也在意料之中，技术已经成熟的三元电池，凭借其能量密度高且仍有较大提升空间、不逊色的安全性、耐低温、高充电效率等特性，将会在新的市场中站稳脚跟。

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中科院院士孙世刚：现有锂离子电池的能量密度已接近理论极限

尽管蓬勃发展甚至引领世界，我国锂电产业的发展仍需立足技术创新，居安思危。

11月9日，在中国(遂宁)国际锂电产业大会暨新能源汽车及动力电池国际交流会上，中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚表示，我国锂电产业现有的发展面临着资源、能量、安全、使用环境等四方面重大挑战。

首先是资源的消耗。据孙世刚介绍，目前，生产1KW锂离子电池要使用用0.5kg锂，根据美国地质勘探局最新的调查数据，世界金属锂的储量为1350万吨左右（锂资源储量总计约3950万吨），仅可用100多年。我国锂资源在全球排第六，资源以盐湖为主，锂含量低，镁锂比高，提取难度大，70%的锂依赖进口，而预计到2025年我国锂电产能将达到约3900GWh，预计需要约39万吨锂金属。

其次是现有锂离子电池能量密度已经接近理论极限。“电池的能量密度与电池的原理有关，比如锂离子电池的能量密度跟反应电子束、活性物质的重量和密度都有关系，”孙世刚说，“目前的锂离子电池的能量密度是接近了天花板。”

据了解，目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。锂离子电池的能量密度远不能满足重大发展的需求，限制了多场景的应用。要提高无人机等装备的航速和航程，都需要大幅度提高电池的能量和功率密度。

值得一提的是，就在上月，美国国家航空航天局（NASA）宣布其研发成功了硫硒纯固态电池，电解质材料利用廉价并易获得的硫，不含液体，电池能量密度达到了500Wh/kg，是目前特斯拉4680圆柱形锂离子电池的约两倍。NASA宣布，该技术未来将在电动飞机上推广。 ·

孙世刚指出，现有锂离子电池面对的挑战还包括安全事故多发。锂离子电池容易发生电池热失控，通常的原因包括过充诱发电池正极材料产气使得电池胀裂，快充导致电池负极析锂诱发短路，以及快充快速升温从而使电解质液体燃烧。

最后是电池使用环境受限，在低温环境中，锂离子电池的电解液黏度会变大，离子迁移速度变慢，充放电能量急剧衰减。高温状态下，电池正负极界面膜不稳定，导致材料结构破坏，产气易爆。而在深空、深海等应用场景，都需要电池具有更高更宽的温度范围。

因此，针对资源、能量、安全、极端环境的四大挑战，孙世刚表示，从技术创新的角度，需要在材料、界面、传输、系统等四个层面予以解决。

首先提升电池体系的能量密度，包括构建高容量高电压正极，高容量低电压负极。正极材料的选择上，将由钴酸锂到磷酸铁锂，到高镍三元材料，最终往硫、氧元素方向发展。在负极材料的选择上，由现有的石墨，到硅，最终往锂金属发展。不过，使用锂金属负极和高电压正极也会带来安全性的问题。

“以锂金属负极来说，锂的理论比容量很高，能够达到3000mAh/g，但是使用中容易形成锂枝晶刺穿电池隔膜，形成电池短路。而正极的高压高比容量材料不稳定，高电压电极材料结构容易破坏，同时造成电解液分解。

孙世刚说，对于锂金属，不光是基础研究领域，业界也做了很多试验性尝试，例如构筑人工SEI膜，构筑三维结构金属负极，调控锂金属电极和电解液的界面，从而提高电池的循环寿命。“终极目标是加入添加剂，调控材料生长的过程，使它不长成枝晶，但这方面的研发非常难，需要大力发展下去。”而在正极材料方面，则需要通过调控层状正极材料的表面结构，强化锂离子传输过程，从而显著提升锂离子电池的能量密度和功率密度。

而为了进一步地提高电池安全性能，目前的研究还包括强化锂离子电池中的“三传”过程，包括强化锂离子传输通道，维持材料在微观尺度下的结构稳定；强化电子传输通道，维持电极和电池的导电网络；强化电池热传出，抑制电池热失控。

在下一代锂电池的路线上，孙世刚介绍了锂硫电池，锂-空气电池、锂-氟碳电池等技术，而在对下一代非锂电池的展望中，钠离子电池也被孙世刚看好。钠在地球上储量排在第六位，具有与锂相似的化学性质，但由于钠原子半径更大，电化学势比较低，钠离子电池能量密度上与锂离子电池相比有先天劣势。钠离子电池的发展需要在储钠新材料、新型电解液方面有所突破。

“目前一些传统的负极硬碳材料已经实现产业化，正极的层状氧化物、普鲁士蓝材料也进入市场。但钠离子电池要进一步提高性能，降低成本，要能够像锂离子电池一样实现大规模利用。”孙世刚说。