近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來突飛猛進(jìn)式的發(fā)展，特別是具備更高續(xù)駛里程的三元鋰電池電動(dòng)汽車發(fā)展更為迅速，但頻繁出現(xiàn)的電動(dòng)汽車自燃、起火現(xiàn)象引起了大眾對(duì)其安全性的高度關(guān)注。今年，僅在深圳市，就發(fā)生8起搭載三元鋰電池的電動(dòng)物流車自燃事故。

近日，中國工程院院士楊裕生發(fā)文表示要正確看待鋰離子電動(dòng)汽車的安全性，他認(rèn)為三元鋰電池安全穩(wěn)定性相對(duì)較差，從而應(yīng)重視磷酸鐵鋰電池的發(fā)展。

楊院士的觀點(diǎn)引起了業(yè)內(nèi)廣泛討論，也有人表達(dá)不同的觀點(diǎn)：“電動(dòng)汽車自燃事故不應(yīng)該由三元鋰電池來背鍋，發(fā)生起火事故與電池的技術(shù)路線選擇并沒有直接關(guān)系，磷酸鐵鋰電池如果沒有控制好也一樣會(huì)出問題?！?/p>

電動(dòng)汽車事故頻發(fā)，三元鋰電池到底該不該背這個(gè)鍋?電動(dòng)汽車到底應(yīng)該選三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池?

我們現(xiàn)在使用的鋰電池都是鋰離子電池，此外還有鋰金屬電池，以鋰金屬或鋰合金作為負(fù)極材料的一種電池，最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出，當(dāng)時(shí)的鋰金屬電池為一次電池(不可充電)，由于相比當(dāng)時(shí)的其他電池，鋰金屬電池對(duì)加工、保存的要求高，因而沒有成為主流。

而鋰離子電池則比鋰金屬電池年輕許多，它采用鋰的金屬氧化物作為正極，于20世紀(jì)70年代誕生，但直到90年代，隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)高功率、高能量密度電池的需求增大，鋰離子電池才開始成為主流。并且，鋰金屬電池隨著技術(shù)發(fā)展，近來有開始復(fù)興的趨勢(shì)，但還未形成潮流，本文主要討論的對(duì)象三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池均為鋰離子電池，除此之外，算上鈦酸鋰電池，這三種電池是主流的車用動(dòng)力電池。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的主要結(jié)構(gòu)包括正、負(fù)極、電解液、隔膜和其他一些附件。其中正極材料是研究的重點(diǎn)，三元鋰和磷酸鐵鋰均描述了鋰離子電池的正極材料。而當(dāng)前應(yīng)用的負(fù)極材料主要為石墨，結(jié)晶度高，導(dǎo)電性好，對(duì)鋰離子的容量大，達(dá)到了372mAh/g，大大超過了正極材料的容量，這也是為什么現(xiàn)在主要研究正極材料的原因。

鋰電池的電解液與傳統(tǒng)電池(鉛酸電池、鎳鎘電池等)不同，不采用以水為溶劑的電解液，因?yàn)樗牧死碚摲纸怆妷褐挥?.23V(想想上一期的燃料電池單電池理想電壓)，因此，以水為電解液的電池電壓最高不過2V左右。而鋰電池的電壓在3-4V左右。常用的電解質(zhì)材料為無機(jī)陰離子鋰鹽，LiBF4、LiPF6、LiAsF6這三類。溶劑則有酯類、醚類和颯類。

隔膜則是起隔斷電子和透過離子作用，使電子必須從外電路遷移，而離子則可以通過電解液移動(dòng)，保證外電路有電流通過，防止電池內(nèi)短路。隔膜材料有單層PE、單層PP、三層PP等。

鋰離子電池充放電的基本原理

一、電池是將氧化還原反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。典型特征就是電極上反應(yīng)物得失電子，通過外電路流動(dòng)，進(jìn)而便產(chǎn)生了電流。正負(fù)極之間的電荷傳遞是通過電解液中陰陽離子的運(yùn)動(dòng)形成的。

二、二次電池是指可多次再充放電的電池，其內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的。電池放電，內(nèi)部的A物質(zhì)變成B物質(zhì)，化學(xué)能變成電能;而充電時(shí)，B物質(zhì)又能夠變回A物質(zhì)，電能變成化學(xué)能儲(chǔ)存。

充電時(shí)鋰離子從正極材料的晶格中脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極材料層中;放電時(shí)鋰離子從負(fù)極材料晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極材料中。而電子則通過外電路，形成電流。

對(duì)于鋰離子電池而言，正極材料的開發(fā)是其關(guān)鍵技術(shù)。理論上，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子脫嵌的物質(zhì)都可以作為正極材料，但實(shí)際上，這并非易事。出于性能考慮，它需要有良好的導(dǎo)電性、較大的放電倍率以及與電解質(zhì)良好的相容性;出于壽命考慮，它需要有高度的可逆性和較弱的極化效應(yīng)，出于安全考慮，它需要保證良好的穩(wěn)定性和溫和的電極過程動(dòng)力學(xué)。

磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池

磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料，加上其循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時(shí)率)使用，可達(dá)到2000次的循環(huán)性特點(diǎn)，再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價(jià)技術(shù)門檻和技術(shù)的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會(huì)采用磷酸鐵鋰電池。可以說新能源汽車的興起，和磷酸鐵鋰電池有著不可或分的關(guān)系。

不過，磷酸鐵鋰電池有一個(gè)致命性的缺點(diǎn)，那就是低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報(bào)廢了。這對(duì)于我國幅員遼闊，冬天低氣溫的確較多的綜合國情來說，的確不是一件好事。

此外，材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，電池一致性差，這也是導(dǎo)致很多純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此，我們可以看到國內(nèi)有不少的新能源汽車(無論是純電動(dòng)還是混合電動(dòng))，或者是一些比較廉價(jià)的新能源汽車，會(huì)出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池?？梢哉f，磷酸鐵鋰電池的使用，對(duì)于新能源汽車量產(chǎn)落地以及推廣，都有著不可磨滅的奠基作用。

對(duì)比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰電池，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。三元鋰電池能量密度更大，但安全性經(jīng)常受到懷疑。

之所以會(huì)有這樣的原因是即便這兩種材料都會(huì)在到達(dá)一定溫度時(shí)發(fā)生分解，三元鋰材料會(huì)在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反映更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。

正因?yàn)槿嚥牧嫌羞@樣的安全隱患，所以廠商也在努力往抑制產(chǎn)生事故的方向走。根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性，廠商在過充保護(hù)(OVP)、過放保護(hù)(UVP)、過溫保護(hù)(OTP)、過流保護(hù)(OCP)這幾個(gè)環(huán)節(jié)上都會(huì)下不少的功夫。所以自燃事件更多是應(yīng)該考量廠商在這幾個(gè)環(huán)節(jié)的功能是否落實(shí)到位，而不是簡(jiǎn)單的因噎廢食。

磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池之比較

放電性能測(cè)試

三元材料電池放電曲線

磷酸鐵鋰電池放電曲線

放電數(shù)據(jù)比較

從圖表可得出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高19.4%，比能量高37.5%，放電比功率高39.7%。由于三元材料質(zhì)量比容量、壓實(shí)密度均高于磷酸鐵鋰材料，所以使用三元材料電池放電有較大優(yōu)勢(shì)。

充電性能比較

三元材料電池充電曲線

磷酸鐵鋰電池充電曲線

充電數(shù)據(jù)比較

循環(huán)性能比較

三元材料電池循環(huán)3 900 次剩余容量66%，磷酸鐵鋰電池循環(huán)5 000 次剩余容量84%，循環(huán)壽命比三元材料電池，磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢(shì)明顯。按照剩余容量/ 初始容量=80%作為測(cè)試結(jié)束點(diǎn)，目前三元材料電池實(shí)驗(yàn)室1 C 循環(huán)壽命在2 500 次左右，磷酸鐵鋰電池實(shí)驗(yàn)室1 C 循環(huán)壽命在3 500 次以上，部分達(dá)到5 000 次以上。

不同溫度放電測(cè)試

不同溫度電池的放電比較如圖4 所示。在55 ℃條件下放電，三元材料電池與磷酸鐵鋰在常溫下比較，放電容量都沒有差別，-20 ℃條件下放電，三元材料電池放電容量/ 常溫容量比例比磷酸鐵鋰電池高15%。

三元材料電池不同溫度放電曲線

磷酸鐵鋰電池不同溫度放電曲線

放電數(shù)據(jù)

2018年2月，《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》發(fā)布。新政規(guī)定，續(xù)駛里程在150公里以下的電動(dòng)車將不再享受補(bǔ)貼。同時(shí)，明確了補(bǔ)貼進(jìn)一步向能量密度高、續(xù)航里程長(zhǎng)的電池技術(shù)路線傾斜。

應(yīng)對(duì)新政，市場(chǎng)也作出了響應(yīng)，將長(zhǎng)續(xù)航、高能量密度作為下一步進(jìn)攻的方向。在此之下，綜合安全性能、成本等因素考慮，產(chǎn)生了三元電池與磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線之爭(zhēng)。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)劉彥龍分析指出，“從市場(chǎng)需求看，乘用車將是新能源汽車產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的主要方向。三元電池的高能量密度特性更能滿足新能源乘用車需求。因此，三元電池成為動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。隨著技術(shù)進(jìn)步，三元電池的成本逐步降低，安全性逐步提高，其對(duì)磷酸鐵鋰電池的擠壓將加劇?！?/p>

在電池技術(shù)路線的選擇上，比亞迪電池事業(yè)群第二事業(yè)部總監(jiān)張春昱表示，“我們不會(huì)放棄磷酸鐵鋰技術(shù)路線?！?020年補(bǔ)貼將退出，消費(fèi)者對(duì)新能源汽車價(jià)格將更為敏感。而磷酸鐵鋰電池在價(jià)格以及安全方面占有優(yōu)勢(shì)，A00級(jí)小車未來可能重回磷酸鐵鋰技術(shù)路線。

新能源汽車競(jìng)爭(zhēng)的核心是動(dòng)力電池之爭(zhēng)，“動(dòng)力電池技術(shù)路線之爭(zhēng)”仍將持續(xù)，三元抑或磷酸鐵鋰，或是其他新技術(shù)都將由市場(chǎng)需求決定。