科普贴｜磷酸铁锂与三元锂电池之争

文|皆电 作者|周师兄

迷你四驱车相信伴随了不少90后的童年，也正是从那时起，我们知道了电池不单只有一次性电池，还有充电电池。

00后中遥控汽车成为了他们的最爱，可控可玩性也更高。

到如今“兰博基尼”、“法拉利”已经成为10后的座驾，使用的动力电池也从普通玩具的五号电池升级为可充电的锂离子电池。

可以说电池无处不在，它的作用是也来越大，电池作为汽车的动力源也不再是小时候的幻想，马路上越来越多的新能源车就是如此。不过作为汽车的动力电池，它性能的好坏直接关系到整车的续航和安全。

电池分类

电池的种类其实非常多，按类型可以大致分为化学电池、物理电池和生物电池。

像我们平时常见的纽扣电池、5号电池、锂离子电池这类都属于化学电池。电容这类属于物理电池，微生物电池这类则属于生物电池。

而电动汽车上用的则是化学电池，如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一类型。从结构来看还可以再分两大类，蓄电池和燃料电池。当然，这里说的蓄电池并不是大家日常说的汽车电瓶，而是对可重复充电电池的统称，其中车载的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。燃料电池目前应用较少，就不作展开了。

六种锂电池

锂电池是目前电动车乃至时下绝大多数电子产品上最常用的电池种类，它从1970年诞生至今将近半个世纪了，它的优势是能量密度高、循环使用寿命长。

目前锂离子电池主要是按照正极材料的不同来分类，因为负极材料对电池能量密度的影响不大，所以现在主要通过不断改进正极材料来提升电池的性能。

市面上最早有六类电池材料分别是钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰和镍钴铝。

钛酸锂 是作为负极材料使用的锂电池，它的能量密度很低，应用在电动车上显然不吃香。

钴酸锂 则相反，它是能量密度相对较高，但是寿命和耐高温性能就比较差，大多用在手机等数码设备当中。

锰酸锂 成本低而且稳定，但能量密度也比较低。

所以，从能量密度和安全性综合来看，综合性能更好的磷酸铁锂电池和三元锂电池 成为了电动车动力电池的主流，不过这两种电池在自身特点上也存在显著差异。

电池能量密度

三元锂>磷酸铁锂

评价电池性能好坏最关键的指标就是电池能量密度，电池能量密度的概念和其他物质密度的概念一样，简单来说就是单位重量或体积下电池含有的电能。

打个比方，两块同样大小和重量的矿石，一种含杂质较多，一种含量高，那么毫无疑问含量高的显然更值钱。

电池的能量密度和矿石的含量一样，相同体积或重量下，能量密度越高提供的电能也就越多，续航相对也越长，提高电池能量密度等于增加了车辆续航。

磷酸铁锂电池（LFP）是用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池，三元锂电池则是一种以镍钴元素作为正极材料，以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池，主要有NCM（镍钴锰）和NCA（镍钴铝）。

受制于化学特性，磷酸铁锂电池的电压平台低，磷酸铁锂电池的能量密度大概在140Wh/kg左右。而三元锂电池电压高，能量密度基本为240Wh/kg。也就是说，在相同电池重量下，三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。

毫无疑问，在能量密度上三元锂电池优势明显，不过不同“配方”的三元锂电池它的能量密度也会有差异（镍、钴、锰/铝三者不同比例）。

特斯拉使用的21700 NCA三元锂电池电芯的能量密度高达260Wh/kg，是目前的量产电动车里最高的，它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5，属于“高镍电池”。

在NCM电池中，按照镍钴锰三者含量的不同，可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811（数字代表镍钴锰的比例）。

按照目前的对电池续航里程的要求，高镍的NCM811是重点突破方向。因为随着镍元素含量的升高，三元正极材料的比容量逐渐升高，电芯的能量密度也会随之提高。

但是从表格来看，两种NCA811和NCM811中显然前者性能更优秀，那到底该走NCA路线，还是走NCM路线？

其实选择不难，镍钴铝电池对制作工艺要求高、成本高且技术掌握在日韩手中，另一方面容易在较高温度的情况下导致热失控。

镍钴锰电池的续航表现不如镍钴铝电池，但好处是含锰三元体系热稳定性更佳更为安全，所以国内主要研发镍钴锰电池。

安全性

磷酸铁锂>三元锂

磷酸铁锂的热稳定性是目前车用锂电池中最好的，电热峰值大于350℃，当电池温度处于500-600℃高温时，其内部化学成分才开始分解。

三元锂电池的热稳定性较差，300℃左右就开始分解，因此对电池管理系统的要求非常高，需要防过温保护装置和电池管理系统来保护电池的安全。所以在高温条件，磷酸铁锂的安全性相对较高。

低温性能

三元锂>磷酸铁锂

冬天电动车续航里程衰减已经是司空见惯了，磷酸铁锂电池的低温性能要劣于三元锂电池。磷酸铁锂电池温度使用下限值-20℃，且低温环境下放电性能差，在0℃ 时的容量保持率约60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时为20～40%。三元锂电池低温温度使用下限值-30℃，低温放电性能好，和磷酸铁锂电池相同低温条件下，冬季时里程衰减不到15%，明显高于磷酸铁锂电池。

当然，为了避免出现明显的里程衰减现象，大多数车辆现在都有相应的热管理来保证电动车冬季性能。

寿命

磷酸铁锂>三元锂

电池寿命就是电池在多次完全充放电后的电量衰减，一般电动车电池充满后衰减到原有80%电量就代表电池该换了。

磷酸铁锂电池的完全充放电循环次数大于3500次后电量才会衰减到原有的80%。也就是说如果每天充放电一次，磷酸铁锂电池也要将近10年才出现明显衰减现象。

而三元锂电池比磷酸铁锂电池寿命短一些，完全充放电循环大于2000次会开始出现衰减现象，也就是大概在6年的时间，当然通过电池管理和车辆电控系统也可以稍微延长一点电池寿命，但是也只能是稍加延缓。

当然，电动车电池是由多个单体电池串并而成，其工作状态类似木桶效应，一只木桶能盛多少水，并不取决于最长的那块木板，而是取决于最短的那块木板。电池组类似，只有在电池性能高度一致时，寿命发挥才能接近单体电池的水平。

成本

三元锂>磷酸铁锂

在电池成本上，磷酸铁锂电池也有巨大优势，它没有贵重金属（镍钴金属元素），所以在生产成本上较低。

三元锂电池使用了镍钴锰多种材料，并且高镍电池的生产需要比较严格的工艺环境，目前成本比较高。

并且经过这几年的开发，作为关键材料锂、钴等金属资源开始吃紧，尤其是金属钴，它的价格一路飞涨，报价在20万元/吨以上。而一吨电解镍的价格，目前也就11万出头。所以也倒逼着电池企业往811路线，提升镍的含量，降低钴的含量，也能带来成本的降低。

镍氢电池

镍氢电池是目前除锂电池外另一种主流电动车动力电池，主要在上世纪90年代后逐渐发展开来，以丰田为代表的很多混合动力汽车都是采用这种电池，不过近年来它们也逐渐换用三元锂电池了。

镍氢电池的能量密度约为70-100Wh/kg，电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下，它的电池组体积会大一点。

另外相比锂电池，镍氢电池需要更注重电池的充放电管理。这是因为镍氢电池具有“记忆效应”，电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，过度充电或放电，都会加剧电池的容量损耗。

所以镍氢电池的充放电区间会控制在总容量的一定百分比范围，避免过度充放电来降低容量衰减速度。

三元锂和磷酸铁锂之争

从电池能量密度、低温性能、安全性、使用寿命以及成本来看，磷酸铁锂电池和三元锂电池是各有优势，有点难分难解，也导致动力锂电池正极材料技术路线出现分化。

以特斯拉为代表的企业最早采用三元锂电池，续航优势明显。而比亚迪一直是磷酸铁锂路线的代表者和坚持者，认为磷酸铁锂安全性最好。不过随着比亚迪从磷酸铁锂电池转变为三元锂电池来看，显然这两种电池路线的争论也已经落下了帷幕。

但是注意，乘用车采用三元锂电池并不代表磷酸铁锂电池就此淘汰，套用李想的一句话就是，磷酸铁锂属于大巴，三元锂电属于乘用车，固态电池属于未来。

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为什么这么多人选择磷酸铁锂电池？它和三元锂的差距在这里

动力电池作为新能源汽车的“心脏 ”，它能够决定一辆纯电动车的续航 、安全性能 等至关重要的属性。在此前政策的引导下，拥有能量密度较高的三元锂电池备受市场青睐，但在2020年三元锂电池装机量开始下滑。

据中国汽车动力电池产业创新联盟此前发布的数据显示，2020年国内动力电池累计销量达65.9GWh。其中三元锂电池共计装车38.9GWh，占比61.1%，累计下降4.1%；而磷酸铁锂电池装机24.4GWh，占比38.3%，累计增长20.6%，成为销量同比唯一增长的动力电池类型。

在2021年装载磷酸铁锂电池的车型也会越来越多，例如：小鹏汽车在3月发布了小鹏G3和P7新增车型，并配备磷酸铁锂电池 ，欧拉好猫在3月中旬也发布了三款磷酸铁锂版本车型，除此之外，3月初工信部发布的第342批《道路机动车辆生产企业及产品公告》新产品公示中也有22款车型 采用磷酸铁锂电池。

为何众多车企都开始热衷于磷酸铁锂电池？

磷酸铁锂成本低 降低购入门槛

根据彭博社新能源观察12 月公布的调查来看，全球市场三元锂电芯的价格在102 美元/kWh ，而磷酸铁锂电芯则低至80美元/kWh ，两者差距22美元。

目前纯电动车型所配备的电池容量大多数都在70kWh ，我们就以该容量进行计算（在不计算电芯组成费用情况下），使用三元锂电芯成本为7140美元（人民币约等于46410元），而使用磷酸铁锂电芯则只需要5600美元（人民币约等于36400元），两者差距在10000元左右，而未来电池容量越高，两者的差距就会更大。

这也就是此前特斯拉Model 3标准续航在使用磷酸铁锂电池之后，能从由原来的27.155万降至24.99万元的主要原因。

磷酸铁锂安全系数更高 更耐用

新能源汽车自燃问题一直备受关注，据了解， 2020年共有50起以上 起火事件，其中绝大多数都为自燃。而此前新能源汽车国家大数据联盟副秘书长刘鹏在此前就表示，新能源汽车安全事故大多发生在高SOC状态 ，其中三元锂电池由于能量密度大，活性大，更容易热失效 ，在250℃到300℃的温度就可能发生分解和爆炸。

而磷酸铁锂电池在温度超过600℃才会发生分解 ，相比三元锂电池要更加稳定 。除此之外，在电池的使用寿命上，磷酸铁锂可以充电3500次 才衰减至强制更换的界限80%，估算下来大概可以使用10年以上 ，而三元锂充电2000次 左右就已经衰减至限定值了，这大致只能使用6年 的时间。

技术成熟 磷酸铁锂电池缺点被缩小

2019年国家对补贴政策门槛进行了提升，动力电池能量密度需要达到105Wh/kg，并且续航里程需要达到250km才能进行补贴，但由于当时技术还不够成熟，使用能量密度较低的磷酸铁锂电池难以获得补贴，众多车企就选择了能量密度更高的三元锂电池。

不过随着中国电池技术日益成熟，不少动力电池企业都研发出如何解决磷酸铁锂低的问题，像宁德时代此前发布的CTP技术 ，该技术通过改变电池包内部的布局结构，去掉了模组，将电芯直接组成 Pack。从而让电池包的体积利用率上升15-20% ，能量密度提升 10-15% 。

除此之外，比亚迪研发出刀片电池 ，该电池通过CTP（Cell to Pack）设计思路，直接取消了电池包内部的框架，通过横向密集排列的多排电芯，将内部空间的利用率提升到了60%左右 。结果就是电池包整体的能量密度以及容量的提升。以搭载最新刀片电池的比亚迪汉EV为例，其电池包总能量为76.9kWh，能量密度140Wh/kg。

新的CTP设计思路不仅让刀片电池在性能参数上达到了平均水平，由于减少了电池组装模组的端板、侧板以及用于固定模组的框架、螺栓等紧固件，还降低了部分制造成本，提升制造效率。

磷酸铁锂与三元锂该如何选？

虽然磷酸铁锂电池目前装机量提升，但该电池并非完全取代三元锂电池，很多车企都选择用“两条腿 ”走路，同一款车型会发布两种不同电池的版本。于是有很多消费者会有疑惑，这两种版本应该如何选择。

在笔者看来，具体如何选择还是需要根据车型而言，我们拿小鹏P7和欧拉好猫来举例。

首先是小鹏P7，磷酸铁锂版本车型起步售价并非发生变化，不过在续航和配置上进行了调整，其中续航从586km下降到480km ，在配置上配备XPILOT 2.5系统。如果是想要体验目前自动驾驶等功能并对续航没有非常高的要求，笔者认为选择磷酸铁锂版本的更合适，但如果对于经常使用新能源车驾驶长途的消费者来说，选择三元锂电池版本更为合适，毕竟更长的续航能够一定程度减少里程焦虑的问题。

接着就是欧拉好猫，该车磷酸铁锂版本和三元锂版本没有任何区别 ，无论是在售价上还是配置上或者是续航上都保持一致。因此对于消费者而言选择就需要考虑自身地区，目前磷酸铁锂车型虽然BMS控温技术作为辅助，可以尽量降低低温对电池带来的问题，但在面对极寒的情况或多或少还是会导致续航有一定降低，如果是生活在北方 ，笔者建议还是选择三元锂电池会更稳妥一些 。

写在最后

在技术层面提高之后，磷酸铁锂电池的优势要更加突出，从装机量上就可以看出磷酸铁锂电池正在崛起，但是这并不代表三元锂电池没落。在笔者看来这两种不同得电池就像燃油车时代的自然吸气和涡轮增压一样，各有优劣，形成互补的方式，能够覆盖更广的使用场景，为消费者提供更多选择。

（文/电车资源 大木）

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