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不同的电池材料体系,有着不同的优缺点,新的电池材料体系迭出,大有“青出于蓝而胜于蓝”的趋势,尤其是三元材料在电动大巴上解禁之后,该体系有着越来越高的呼声。磷酸铁锂材料体系作为当前电池材料体系的中坚力量,在其能量密度越来越接近上限的时候,是否还有其他的杀手锏以确保其自立于市场?磷酸铁锂电池材料的前景颇受关注。
磷酸铁锂的“危”与“机”
锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。从工作原理上讲,磷酸铁锂也是锂离子的嵌入/脱嵌过程,这一原理与钴酸锂、锰酸锂等相同。磷酸铁锂经常被拿来与三元锂电池做比较,二者经常成为业内争议的焦点。
这两种材料都会在一定温度下发生分解,三元材料在200摄氏度左右即发生分解,而磷酸铁锂材料在800摄氏度左右分解,这意味着,三元材料更易成为火灾事故“帮凶”,三元电池要实现和磷酸铁锂同样程度的安全水平,对技术和工艺的要求更高。
然而,磷酸铁锂的能量密度低于三元电池。磷酸铁锂电池单体能量密度约145Wh/kg,相比之下,三元电池能量密度较高,三元锂电池单体能量密度约220Wh/kg。因此,鉴于磷酸铁锂的材料特性,业内频传磷酸铁锂电池能量密度提升空间有限,未来或被其他电池体系取代。
在知识产权日益被重视的当下,磷酸铁锂于此不及三元,这对磷酸铁锂电池的发展有所掣肘。最早有关磷酸铁锂的专利申请在1993年6月25日由FXMITTERMAIER&SOEHNEOHG(DE)获得,并于同年8月19日公布申请结果。磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有,而碳包覆专利被加拿大人所申请,这两个基础性专利很难绕过去。而业内机构2017年对车用镍钴锰三元锂电池行业全球专利的统计显示,无论是其他国家的专利布局还是中国境内的技术创新保护意识,锰钴镍三元锂电池的技术研发都是当前的技术热点,我国镍钴锰三元锂电池专利申请量在世界上遥遥领先。因此,在专利方面,磷酸铁锂的优势不及三元电池。
在能量密度方面,磷酸铁锂的天花板略低,可发挥空间不大,但在用户所关心的充电速度方面打开了一扇窗。快充作为新能源汽车发展必须攻克的技术路径,其对于缓解续航里程焦虑、减少充电时间等有着明显的作用,因此,快充成为车企和电池企业的发力方向,也成为磷酸铁锂电池未来应用的一个亮点。
此外,在2016年12月底发布的新能源汽车补贴调整方案中,“3C-5C、5C-15C、15C+”三个档次的快充倍率,可分别获得0.8倍、1倍、1.4倍补贴,在该政策激励下,走磷酸铁锂技术路线的企业加大了在快充方面的研发力度,快充使磷酸铁锂电池获得了的新突破点。
快充——磷酸铁锂电池的新突破点
快充技术的核心就是在不影响电芯寿命和安全性的前提下,通过化学体系的设计,加速锂离子在正负极移动的速度,很多快充技术都是围绕这一点进行优化。对磷酸铁锂电池快充的研发,宁德时代和沃特玛具有代表性。
宁德时代的磷酸铁锂快充技术比较成熟,正极方面,宁德时代开发了“超电子网”技术,在确保快充电池系统的安全性和可靠性的基础上,使磷酸铁锂的电子具有优异的导电性能,可达三元材料的1000倍。负极方面,宁德时代采用“快离子环”技术,在石墨表面打造一圈“高速公路”,加快了锂离子在石墨层的嵌入,充电倍率可达4C~5C,并能保证系统级别70Wh/kg以上的能量密度,实现10000次的循环寿命。此外,为了让快充适应不同的工作环境,宁德时代还专门开发了热管理系统,确保在低温和高温的环境里实现快充。
宁德时代总裁黄世霖表示,宁德时代将开发更成熟的电池快充技术,配合充电需求布设专业化集中充电站,满足市场对远距离行驶和短时间充电的需求。据了解,宁德时代将逐步提升电池能量密度,提高电动汽车的续航里程,2017年年底前推出新技术,争取生产出充电10分钟、续航300公里的电池产品。
通过对沃特玛的调研和相关资料的查阅,电池中国网了解到,沃特玛是磷酸铁锂材料体系的坚定拥护者,它在磷酸铁锂快充方面一直在发力。正极方面,沃特玛使用粒径更小的磷酸铁锂材料,目前市场上普遍的磷酸铁锂粒径在300~600nm之间,而沃特玛只用100~300nm的磷酸铁锂材料,从而使锂离子拥有更快的迁移速度,可实现更大倍率的电流进行充放电。在负极端,沃特玛同样采用粒径更小的人造石墨进行碳包覆——小粒径有利于锂离子的脱离和嵌入;碳包覆能对电池的循环寿命进行优化改善,微孔的碳结构有利于电解液的吸附,从而起到改善循环寿命的作用。
在安全防护措施方面,沃特玛电池采用圆柱结构,并在常规安全装置外设有通气管装置和拉断开启装置。通气管装置能保证内部气压的平衡,可防止电芯内局部气压过高导致电池爆炸的风险;而拉断开启装置在电池过充、过流、过热的情况下,会产气断开电路,终止电池内部的电化学反应,防止爆炸的发生。
磷酸铁锂电池近年来一直在电池体系中担纲主角,尽管理论能量密度上升空间有限,多传终将被其他电池材料取代,但磷酸铁锂找到了新的突破点,在快充方面向其他电池材料体系发起了挑战。可以预见,未来,凭快充“一招鲜”,磷酸铁锂就可以走得更远。
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