新能源汽车电池技术演变方向-三元锂电池（一）

锂离子电池的用途十分广泛，因为特有的性能优势，已经在电子时代得到普遍应用，比如说笔记本电脑、相机、手机等等。新能源汽车产业的出现，更是大大推动了锂电池的发展，为锂电池的应用打开了广阔的前景。

一、汽车锂电池的构成与分类

如果把汽车锂电池看做是一道菜的话，那么完成这道菜就需要一些食材和配料，这些食材配料就是正极材料、负极材料、电解液、隔离材料和电池管理系统等。

根据外形、外包材料、电解液，锂电池可以被划分成很多类别。在这里，为了讨论近年来锂电池技术的演变趋势，我们主要根据正极材料的不同，来讨论汽车动力电池的两种主流产品：磷酸铁锂电池和三元锂电池。

二、磷酸铁锂电池和三元锂电池的对比

两种电池都使用锂元素，循环寿命也可以放心使用。但其正负极材料和电池管理系统却有所不同，性能上的特点也大有差异。

所谓磷酸铁锂电池，就是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。这一类电池的特点是不含贵重金属元素（比如钴等）。由于不含有贵重金属材料，磷酸铁锂电池的原材料成本就可以被压缩的非常低廉。

在实际使用中，磷酸铁锂电池具有耐高温，安 全稳定性强，价格便宜，循环性能更好的优势。例如比亚迪，就专精这类电池。市面上还有一种叫做A123的锂电池，这种电池实际上也是磷酸铁锂电池的一种。它主要在制造工艺上采用了纳米工艺等，增加了电池充放电能力。我国万向集团就收购了A123公司，进而收购了赖以该电池为动力基础的菲斯克（Fisker）汽车公司。

而三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池。与磷酸铁锂不同，三元锂电池电压平台很高，这也就意味着在相同的体积或是重量下，三元锂电池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充电、和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势。特斯拉的Model S采用的松下18650组成的电池组就是三元锂电池，单个这种电池比平常的5号电池要大一些。

1.能量密度与续航里程对比

相较于磷酸铁锂电池，三元锂电池的能量密度大，电压更高，所以同样重量的电池组电池容量更大，车子跑的距离也就更远，速度也能更快。特斯拉Model S充满电的续航里程为400多公里。北汽EV200采用了来自韩国SK生产的三元锂电池，理论巡航里程达到200km，而它的前辈车型EV150则采用了磷酸铁锂电池，续航里程仅为150km。

根据国内三元材料18650圆柱电池龙头企业——比克电池提供的资料，其18650电池的能量密度已经达到了232Wh/kg，后续将会进一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150Wh/kg左右。据国内电池行业专家剖析，未来几年之内，磷酸铁锂电池的能量密度能够达到300Wh/kg的希望非常渺茫。

2.空间占用对比

对于体积庞大的电动巴士而言，空间占用影响较小。但对于家用电动汽车来说，空间占用就显得比较重要了。能量密度较低的磷酸铁锂电池将会占据原本就不多的汽车空间，并且由于更大的重量，在使用时的放电续航也会受到比较大的影响。相对而言，能量密度较高的三元锂电池在解决重量问题的同时也为家庭用车节省出了空间。

3.低温放电性能对比

三元电池和磷酸铁锂电池的在不同温度下的放电性能如下图所示。（“相对25℃容量”是指不同温度条件下放电容量与25℃时放电容量的比值。该数值能够准确反映出电池在不同温度条件下续航的衰减，越接近100 %，电池表现越好。）

从图中能够看出，以25℃为基准常温，两类电池在55℃高温下放电与常温25℃下放电，放电容量几乎没有差别。但在零下20℃时，三元锂电池与磷酸铁锂电池相比有比较明显的优势。

我国幅员辽阔，气候复杂，从*北端的东北三省到*南端的海南诸岛温度变化非常丰富。以北京为例，作为电动汽车的主力市场，北京夏季* 高温度在40℃左右，而冬季则基本保持在零下6℃左右，甚至更低。这样的温度区间显然适合低温性能更佳的三元锂电池。而注重耐高温性能的磷酸铁锂电池在北京的冬季会显得有些乏力。

4．充电效率对比

除了续航之外，充电也是电动汽车在实际使用中的重要环节，而三元锂电池在充电效率方面较磷酸铁锂电池有着非常大的优势。

目前市面上较为常见的充电方式为恒流恒压式充电。一般在充电开始时先采用恒流充电，此时的电流较大，充电效率相对更高。而在电压达到一定数值之后，降低电流改为恒压充电，这样可以让电池充的比较满一些。在这个过程中，恒流充电容量与电池总容量的比值，称为恒流比。它是衡量一组电池在充电过程中充电效率的关键数值。通常百分比越大说明在恒流阶段充入的电量越高，也就证明该电池的充电效率更高。

从表中可以看出，三元锂电池与磷酸铁锂电池在100以下Ah充电时，恒流比无明显差距，100以上Ah充电时，磷酸铁锂电池恒流比例迅速降低，充电效率迅速降低。

5.成本对比

（1）研发成本

虽然三元锂电池的理论寿命是2000次充放电循环，但在实际使用中，当进行900次的充放电循环后，电池容量就基本衰减到了55%。也就是说充满电只能跑原来里程的一半。但如果每次电池充放电都控制在0%-50%或者25%-75%的循环中工作，不榨光电池的精力，即使经过3000次的充放电循环，电池容量基本还能能够保持在70%左右。所以这需要非常优 秀的电池管理系统，也是特斯拉对自己的电池管理系统非常自豪的原因所在。

而磷酸铁锂电池不依赖电池管理系统，研发成本低。磷酸铁锂电池即便是经过3000次0- 100 %的充放电使用，容量也才会衰减到80%，所以磷酸铁锂电池的电池管理系统就没那么复杂，也就进一步降低了整车研发成本。2015年，比亚迪纯电动大巴车采用的就是磷酸铁锂电池驱动的。

（2）原料成本

相较于磷酸铁锂电池而言，三元电池需要用到更多的贵金属，*主要的就在于钴矿石。其实咱们国家的锂矿、氧化铁磷酸盐储量丰富，制造磷酸铁锂电池有优势。而我国缺乏钴矿，制造必须采用钴元素的三元锂电池会有些困难。所以，我国许多车企（包括电池企业）在早期阶段，发展磷酸铁锂电池是很现实的。比如2015年国内主流的电池厂商生产的都是磷酸铁锂电池。当时，市面上采用三元锂电池的电动车，动力电池基本都是国外品牌产品（日本松下，韩国SK等），价格也相应要比采用磷酸铁锂电池的车型（同级别）贵一些。

6.安 全性对比

三元锂材料会在200度左右发生分解。并且化学反应更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，更会发生连锁反应。而磷酸铁锂在700-800度时才会发生分解，不会像三元锂材料一样释放氧分子，燃烧没那么剧烈。

说简单点，就是三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。内部短路或是正极材料遇水，都会有明火产生。所以一般18650电池都会有一层钢壳保护。特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成，虽然进行了全方位的保护，但是在极端的碰撞事故中，起火隐患还是有的。

磷酸铁锂电池则要稳定许多，电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧，遭到350℃的高温也不会起火（三元锂电池在200℃就扛不住了）。所以在安 全性能上，磷酸铁锂电池略胜一筹。

7.循环寿命对比

对于家庭用车来说，三元材料和磷酸铁锂动力电池的额定循环寿命都远远超过了实际用户的使用习惯，因此在使用寿命上可以完全放心。以比克电池目前的高容量18650电池为例，在充放电循环1000次之后，电池容量依然能够保持在*初的90%以上。假设新能源汽车平均2-4天一充电，取中间值平均3天一充电来计算，使用1年需要充大约120次电，循环寿命1000次使用完毕大约需要8年时间，这也基本超过了目前我国消费者平均的换车周期。

三、演变路径

梳理一下上面的对比，我们会发现，除了应用成本高、安 全性低以外，在其他方面（续航能力、抗衰退能力、稳定性方面），三元锂电池各方面属性都比磷酸铁锂电池优 秀。

两种锂电池特点对照表：

三元锂电池（18650）

磷酸铁锂电池

安 全性（相对两款电池）

低

高

重量能量密度（Wh/kg）(同样能量，电池要更轻才好)

200

100-110

电池单体标称电压（V）

3.8

3.2

抗衰退能力（寿命）

低

高

应用成本（我国）

高

低

抗低温衰减能力

强

弱

1.现实情况

如果能够解决安 全缺陷的问题，三元锂电池应该是比较理想的选择。但实际情况是，2016年之前，我国动力电池市场中，磷酸铁锂电池占据了绝大部分市场份额，并且在逐年增加。以2015年11月数据为例，磷酸铁锂电池的电动大巴装机量占比达到64.9%，三元锂电池装机量为27.6%；到了2016年上半年，磷酸铁锂电池出货量达4.9GWh，占比上升为74%，而三元电池出货量1.53GWh，占比仅为23%。主要原因是，政府和市场对三元锂电池的安 全问题比较谨慎，限制了其应用。

2016年初，在中国电动车百人会上，工业和信息化部装备司司长张相木说：「工信部将组织开展对三元锂电池的风险评估，在评估完成前，暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用推荐车型目录。」这也意味着，三元电池暂时被禁用在客车上。后来，工信部解释，禁止三元电池在客车中的使用，主要是考虑到，相较于乘用车，客车发生安 全隐患后，因为车门少，人数多，更不容易逃离，造成重大事故和重大损失的可能性较高。

2.三元锂电池应用的可能性

那么，三元电池的安 全问题能够解决吗？如果从根本上无法解决，这种技术就永远不可能称为主流，而如有技术上的可能性，那么更加安 全的三元电池迟早是市场未来的方向。

回答这个问题，我们首先得说一下，三元电池不安 全的原因。

三元锂电池存在安 全隐患，只是因为三元锂材料和磷酸铁锂材料特性的差异。三元锂材料更容易热解，而热解是需要一定条件的，比如温度、电流、电压、电解液分解等等。而锂电池由于自身特性，一般都必须要有电池管理系统（Battery Management System），其主要功能包括过充保护（OVP）、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）、过流保护（OCP）等功能，一旦发生意外，能够立刻切断电流。

所以，单纯认为三元锂电池不安 全，是不太合适的。三元材料容易热解，但不代表三元锂电池就一定不安 全；磷酸铁锂材料不易热解，但不代表磷酸铁锂电池就是安 全的。*终决定安 全性的，是整个动力电池系统。如果电池热解了，先得问问电池管理系统（BMS）是不是合格的。换句话说，性能良好的三元电池，其安 全性是可以通过改进电池管理系统来解决的。

另一方面，从实际发生的电池事故来看，也可以得到验证。纯电动客车已经发生的自燃事故中，有使用三元锂电池的，也有使用磷酸铁锂电池的。

3.解决安 全问题的可行性

解决三元锂电池安 全问题的途径有很多，也很复杂。出于篇幅和时间的考虑，本文不再赘述。后续有时间会再单独梳理讲解。这里，先讲一下实践中的情况：三元锂电池的安 全问题已经通过技术改良的手段正得到解决，并且在不断完善。

以比克18650电池产品为例，在单体电芯工艺上，比克选择在正负极分别配置保护添加剂和反应性添加剂，阻止电解液分解导致的安 全问题。同时添加陶瓷隔膜和负极陶瓷涂层等安 全防护手段，从根源控制事故的产生。此外，比克小型圆柱18650电池成组模式，每颗电池之间都保持足够的安 全距离，确保单颗电池的事故不会对其他电池造成影响。

也正是因为安 全问题逐步得到解决，三元锂电池仅仅在时隔1年后，就被政府解禁。

2016年底，工信部召开了关于进一步做好新能源汽车推广应用安 全监管工作的宣贯会,会议指出，自2017年1月1日起,电动客车安 全 国家标准出台前,新能源客车暂按《电动客车安 全技术条件》的要求执行。在《电动客车安 全技术条件》中，对可充电储能系统有“蓄电池单元热失控试验”和“可充电储能系统热失控扩展试验”等测试要求。同时，新申请《新能源汽车推广应用推荐车型目录》的使用三元电池的客车,应同时补交第三方检测报告。这一条款表明，在通过热失控试验和热失控扩展试验测试的前提下，三元锂电池客车可申请推荐目录，标志着三元电池在客车上的应用自2017年1月1日起解禁。

这也意味着，三元锂电池逐步取代磷酸铁锂电池，成为动力电池市场的主流技术产品，将是确定性的演变趋势。无论是特斯拉还是宝马i3，都早已选择三元锂电池作为动力电池，而在中国，像江淮、比亚迪、北汽等不少汽车厂商也开始将旗下原本使用磷酸铁锂电池的车型换装三元锂电池，亿纬锂能在2015年8月份，也透露二期工厂将主要生产三元锂电池。随着这一趋势演变的发生，锂电池市场和产业链将发生微妙的变化并蕴含巨大的投资机会。