三元锂离子动力电池和磷酸铁锂电池哪个要更适合电动汽车?

其实这个题目下面的问题描述很具体,但是题目却很宽泛。看了一下这似乎也是一个老问题,估计题主当时的具体个人问题早已经解决了,而回答列表中大多数也是就着这个题目本身在回答,那我也简单谈谈我的看法:


首先我说说我的观点:从更加经济的角度,标准续航和经济型电动汽车更适合磷酸铁锂电池,而长续航和豪华车系,更加适合三元锂电池。但是从产业发展的角度来说,我认为继续坚持高能三元锂电池路线,并适时转向包括固态锂电在内的高能电池路线依然是首选。而我的理由,其实和三体中章北海坚持认为化学工质方向不应该成为太空军方向的理由是一样的。


关于新能源汽车的技术路线一直以来有两条:

第一条技术路线,我称为高能电池路线: 是以不断提升能量密度的三元锂电池的插电式混合动力与纯电动的路线,认为随着电池的能量密度的提升,对于从低速电动车到大型车,都应当采用高能三元锂电池,均可以采用纯电动技术,结合插电式混合动力的补充,以高能锂离子电池为突破方向。一方面单体电池的能量密度向350wh/kg,系统260wh/kg冲击,另一方面电池系统的成本下降到0.8元/wh甚至0.6元/wh以下。

第二条技术路线,我称为安全电池路线:是认为应当采用安全成熟的电池,结合技术实际发展实际节能减排的汽车。其中,低速电动车可以采用铅酸电池(目前铅酸电池的可回收率为100%,由于回收门槛低,企业获利模式成熟,污染很少,而三元锂电池的回收目前几乎为0,基本依赖政府补贴进行元素回收),也可以用锂离子电池,由市场决定。纯电动汽车主要应用在微小型车,中大型车以发展超经济内燃机为增程器的纯电驱电动车为主。其中,在电池方面,可以采用新一代的高能磷酸铁锂电池,单体比能量大概在180wh/kg,系统能量密度可以达到150wh/kg。

2016年之前,中国以比亚迪为代表的企业自主掌握并有能力大量生产的只有磷酸铁锂电池,三元锂电池国内从2015年开始准备出货,但是当时包括韩国LG,日本松下等企业提前布局了生产线并大规模的倾销三元锂电池,计划在高能电池路线的开始迅速抢占中国的三元锂电池市场。2016年1月,工信部以三元锂电池安全审查的名义,中止了三元锂电池进入国家补贴目录的资格,这导致了中国当时上千亿规模的三元锂电池投资项目搁置,引发了汽车行业极大的讨论。安全电池路线赢了第一局。

我本人在2015-2016年期间也参与了技术路线的讨论,尽管当时有很多学者依然坚持磷酸铁锂电池路线并提出了很多看法(主要还有比亚迪等磷酸铁锂企业的背后支持与公开发声),但是磷酸铁锂电池确实是太糟糕了当时,系统能量密度低于80wh/kg,低温特性一塌糊涂。2016年工信部对于三元锂电池的拦截终究还是抵挡不住技术趋势对于高能电池的渴求,最终三元锂电池的发展还是发展起来了。高能电池路线扳回一局。

2017年2月,韩国萨德事件,引发了国内以LG电池为代表的三元锂电池系统的重新考量,稍微延缓了三元锂电池的替代速度。安全电池路线的喘了一口气。

2017年后,随着国内以CATL等自主企业在高能三元锂电池产能与技术方面的快速崛起和大量铺货,高能电池路线堂堂正正赢了。高能电池路线左右了大量的规划与法律,例如:

  1. 低速电动车合法化难产,要求低速电动车企业尽快提升为以乘用车标准审核的高技术企业,同时电池必须提升为三元锂电池;
  2. 电池能量密度的补贴门槛与系数门槛连年提升,引导企业飞速冲向811高镍。

2018年下半年,随着高能电池路线遇到瓶颈,高能磷酸铁锂电池技术的新发展,安全电池路线自8月份开始,受到了从政府到学界人员的频频背书,而当年高能电池路线的倡导者们,也开始为未来的变调做准备,开始鼓吹以2030年为目标的固态锂电和锂硫电池,还有氢能燃料电池为目标。

从2018年下半年开始至今,开始出现转向安全电池路线的风向。

导致高能电池路线 + 插电式混合动力/纯电动整车路线波折,从短期来说的原因主要是:

  1. 高能电池安全问题恐难以收拾;
  2. 锂离子电池回收难;
  3. 锂离子电池梯度回用安全性风险;
  4. 充电设施状态改进缓慢而且代价高昂,快充技术无法解决,并带来安全和电池寿命的风险。
  5. 若电池技术无重大变革,且电动汽车飞速发展,钴现有储量将在2035年耗尽,锂的现有储量在2045年耗尽,但是地球总资源量足以支持到2050年后(但开采难度上升)。多种电池相关金属价格飞速上涨,而且开采难度加大,开采能耗庞大。


看到这里,2022年的你是不是也觉得很应景,我要告诉你的是,上述所有内容其实这是我2018年的专栏文章的内容,时隔3年半,情况还是如此,而且愈演愈烈。

(由于技术发展和锂元素的价格快速爬升,关于回收不挣钱导致几乎0%回收、个别能量密度描述等与当前最新情况略有偏差,不过无伤大局)

JackyQ:插电/增程之变与万钢文章解读:不了解WTW,就不了解驱动系统的未来

近年来如下几个方面更加恶化:

  1. 锂、钴、镍、铜价格的暴涨或者持续高位,令三元锂电池的价格基本上已经回到了2019年之前。而支撑高能三元锂电池的一个重要原因,是随着电芯能量密度上升之后,能量密度的上升速度远高于单个电芯本身的价格上升速度,那么每kwh的平均价格就会进一步下降。而目前在锂价上涨的背后,镍、钴甚至石墨的价格都在涨价或者维持高位,俄乌战争让欧洲直接断了镍。这些都在影响高镍高能三元锂的应用;
  2. 有很多的会说安全性的担心,其实站在2022年,三元锂电池的问题不是车企担心会有多少起火的案例,而是为了应对起火案例目前需要投入的成本非常高,同样也在抵消原来的三元锂电池随着能量密度上升之后的相对低成本的效应。

上图是我之前做通用汽车搭载在凯迪拉克Lyriq(刚刚发布中文名叫锐歌)奥特能电池的解析文章中的一部分:

JackyQ:超深度:109年前终结电动车的通用,在上海投产了面向下一个百年的纯电平台:奥特能 Ultium

在过去的四年中,三元锂电池和磷酸铁锂电池已经走出了两条完全不同的道路。

三元锂电池的安全策略已经不再坚持单体肯定没问题,而是在尽力减低三元锂化学体系下的热失控概率的情况下,进一步通过多重安全策略试图绝对的确保单体热失控不会扩散到其他单体,或者至少极大的迟缓热扩散速度,从而实现电池极高的安全性,并提供超长的预警时间。

所以你从上面的表格可以看到,从化学体系改进、模组安全、电池包安全策略(包括排气、防爆阀、冷却策略等等)、电池包结构强度(全面回归高强度钢和以最高的美标碰撞作为电池包碰撞安全参考)、线束安全、BMS优化等等一系列方面的措施在遏制电池包的失控风险。

但是这带来的影响是三元锂电池方案现在更加昂贵了。

而相比之下,磷酸铁锂电池由于单体的能量密度依然还是非常有限,因此即便是刀片电池,事实上也是在依靠磷酸铁锂的化学铁行和又薄又长的刀片结构来优化在单针穿刺情况下的短路风险(由于回路更长,产生的热更小)和散热能力。而为了弥补能量密度不足,只能采用了包括CTP才能的更加激进电池包结构,这些事实上是在牺牲安全性。

或者我们简单的总结:磷酸铁锂的解决方案在安全策略方面几乎可以说完全在依赖磷酸铁锂自身的相对稳定的化学体系。

具体请参考我的文章:

如何理解欧阳明高院士提出的动力电池发展的三个方向?


那么这样下去带来的趋势是什么呢:

  1. 经济型电动车和标准续航在目前使用磷酸铁锂电池的性价比更好。因为目前的成本优势确实非常明显。
  2. 长续航电动车和豪华车电池包高能三元锂电池更好。磷酸铁锂,包括刀片电池,其实并没有解决锂离子电池 “燃料”与“氧气”并存的情况。磷酸铁锂的化学体系并不能免疫单体热失控,而碰撞问题会导致目前的磷酸铁锂的电池包甚至可能更加危险,包括刀片电池(单体体积更大,相同碰撞条件下的受损和击穿区域更多,单体能量更大,电池包采用的安全策略极少甚至是负面的,由于试图提高能量密度的原因电池包的结构强度也普遍不足)。所以去年到今年我们看到了很多磷酸铁锂电池电动车的起火,其中尤其是碰撞起火的案例更加触目惊心。而更大的电池包,更加强劲的性能,也带来更大安全挑战,理应有更加全面的安全策略投资,仅靠化学体系是远远不够的。

或者我们反过来说,磷酸铁锂的所谓安全性事实上远远比不上高能三元锂电池路线给车辆在布置、续航、极端天气的性能稳定性、电芯的一致性方面的巨大优势。

在这样的基础考虑之下,我们就要看车企的技术路线如何选择了,因为现在越来越强调的是平台化,系统开发的一致性也会影响电池的选择。磷酸铁锂优势的企业会扩大磷酸铁锂路线的上限,而三元锂优势的企业会不断下探三元锂平台的下限。


我个人更倾向于高能三元锂电池的路线。因为我认为磷酸铁锂电池的回潮很大程度上是一种妥协,而且由于其非常实际的成本优势,令中国本土车企在更高能量密度电池领域的投入产生了犹豫,其最典型的现象就是基本上所有的国内本土电动车企业,即便其产品线全部都是三元锂电池,现在在技术上也几乎都做了磷酸铁锂方案。

磷酸铁锂电池在能量密度方面有天生的短板、低温性能不足、应对快充性能的发展、电芯一致性等方面同样有限,我理解这几年大家会从各大电池企业看到各种补丁,但是磷酸铁锂的瓶颈已经到了它的极限了,现在很多做的都是系统优化和结构优化。

而高能三元锂电池的发展空间还很大,过去几年在电解液、电极、循环性能、制造甚至回收方面的进展也很多。回归到本源,纯电动车的优势领域主要是豪华和小型车两个极端,然后向中间延申,而主要痛点依然是充电和续航,前者比后者还要重要。而在快充和续航领域,三元锂电池的优势依然明显,在这些核心优势的基础上,三元锂电池化学体系和电池包策略上开展优化减低安全担忧的技术路线我认为更加可靠和稳健。

电池产业和别的汽车相关产业最大的不同,就是必须需要巨大的产业体量才能平抑成本。电池化学体系具体路径上,因为产业化速度过慢而死掉不计其数。正如在三体中,章北海担忧若太空军投资在当时看起来更具有性价比的化学工质推进策略,会导致辐射推进方案的研究被搁置和拖延,从而射杀了工质派一样。随着电动汽车市场竞争日渐刀剑见红,相关技术体系愈加复杂和投入巨大,企业和市场化开始承担主要的资金来源,更加聚焦或许更适合这个产业发展。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:JackyQ

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