鉅大LARGE | 點擊量：1137次 | 2021年08月08日
快充——磷酸鐵鋰離子電池的新沖破點
不同的電池材料體系，有著不同的優(yōu)缺點，新的電池材料體系迭出，大有青出于藍而勝于藍的趨勢，尤其是三元材料在電動大巴上解禁之后，該體系有著越來越高的呼聲。磷酸鐵鋰材料體系作為當(dāng)前電池材料體系的中堅力量，在其能量密度越來越接近上限的時候，是不是還有其他的殺手锏以確保其自立于市場?磷酸鐵鋰離子電池材料的前景頗受關(guān)注。
磷酸鐵鋰的危與機
鋰離子電池的正極材料緊要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。從工作原理上講，磷酸鐵鋰也是鋰離子的嵌入/脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰、錳酸鋰等相同。磷酸鐵鋰常常被拿來與三元鋰離子電池做比較，二者常常成為業(yè)內(nèi)爭議的焦點。
這兩種材料都會在一定溫度下發(fā)生分析，三元材料在200攝氏度左右即發(fā)生分析，而磷酸鐵鋰材料在800攝氏度左右分析，這意味著，三元材料更易成為火災(zāi)事故幫兇，三元電池要實現(xiàn)和磷酸鐵鋰同樣程度的安全水平，對技術(shù)和工藝的要求更高。
然而，磷酸鐵鋰的能量密度低于三元電池。磷酸鐵鋰離子電池單體能量密度約120Wh/kg，成組后能量密度約80Wh/kg。相比之下，三元電池能量密度較高，三元鋰離子電池單體能量密度約180Wh/kg，成組后約110Wh/kg。因此，業(yè)內(nèi)頻傳磷酸鐵鋰離子電池能量密度提升空間有限，將來或被其他電池體系取代。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在知識產(chǎn)權(quán)日益被重視的當(dāng)下，磷酸鐵鋰于此不及三元，這對磷酸鐵鋰離子電池的發(fā)展有所掣肘。最早有關(guān)磷酸鐵鋰的專利申請在1993年六月二十五日由FXMITTERMAIERSOEHNEOHG(DE)獲得，并于同年八月十九日公布申請結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎(chǔ)性專利很難繞過去，產(chǎn)品專利方面的費用推高了磷酸鐵鋰離子電池產(chǎn)品的成本。而業(yè)內(nèi)機構(gòu)2017年對車用鎳鈷錳三元鋰離子電池行業(yè)全球?qū)＠慕y(tǒng)計顯示，無論是其他國家的專利布局還是我國境內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新保護意識，錳鈷鎳三元鋰離子電池的技術(shù)研發(fā)都是當(dāng)前的技術(shù)熱點，我國鎳鈷錳三元鋰離子電池專利申請量在世界上遙遙領(lǐng)先。因此，在專利方面，磷酸鐵鋰的優(yōu)點不及三元電池。
在能量密度方面，磷酸鐵鋰的天花板略低，可發(fā)揮空間不大，但在用戶所關(guān)心的充電速度方面打開了一扇窗。快充作為新能源汽車發(fā)展非得攻克的技術(shù)路徑，其有關(guān)緩解續(xù)航里程焦慮、減少充電時間等有著分明的用途，因此，快充成為車企和電池公司的發(fā)力方向，也成為磷酸鐵鋰離子電池將來使用的一個亮點。
此外，在2016年十二月底公布的新能源汽車補貼調(diào)整辦法中，3C-5C、5C-15C、15C+三個檔次的快充倍率，可分別獲得0.8倍、1倍、1.4倍補貼，在該政策激勵下，走磷酸鐵鋰技術(shù)路線的公司加大了在快充方面的研發(fā)力度，快充使磷酸鐵鋰離子電池獲得了的新沖破點。
快充磷酸鐵鋰離子電池的新沖破點
快充技術(shù)的核心就是在不影響電芯壽命和安全性的前提下，通過化學(xué)體系的設(shè)計，加速鋰離子在正負極移動的速度，很多快充技術(shù)都是圍繞這一點進行優(yōu)化。對磷酸鐵鋰離子電池快充的研發(fā)，寧德時代和沃特瑪具有代表性。
寧德時代的磷酸鐵鋰快充技術(shù)比較成熟，正極方面，寧德時代開發(fā)了超電子網(wǎng)技術(shù)，在確保快充電池系統(tǒng)的安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，使磷酸鐵鋰的電子具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可達三元材料的1000倍。負極方面，寧德時代采用快離子環(huán)技術(shù)，在石墨表面打造一圈高速公路，加快了鋰離子在石墨層的嵌入，充電倍率可達4C~5C，并能保證系統(tǒng)級別70Wh/kg以上的能量密度，實現(xiàn)10000次的循環(huán)壽命。此外，為了讓快充適應(yīng)不同的工作環(huán)境，寧德時代還專門開發(fā)了熱管理系統(tǒng)，確保在低溫柔高溫的環(huán)境里實現(xiàn)快充。
寧德時代總裁黃世霖表示，寧德時代將開發(fā)更成熟的電池快充技術(shù)，配合充電需求布設(shè)專業(yè)化聚集充電站，滿足市場對遠距離行駛和短時間充電的需求。據(jù)了解，寧德時代將逐步提升電池能量密度，提高電動汽車的續(xù)航里程，2017年年底前推出新技術(shù)，爭取加工出充電10分鐘、續(xù)航300公里的電池產(chǎn)品。
通過對沃特瑪?shù)恼{(diào)研和相關(guān)資料的查閱，電池我國網(wǎng)了解到，沃特瑪是磷酸鐵鋰材料體系的堅強擁護者，它在磷酸鐵鋰快充方面一直在發(fā)力。正極方面，沃特瑪使用粒徑更小的磷酸鐵鋰材料，目前市場上普遍的磷酸鐵鋰粒徑在300~600nm之間，而沃特瑪只用100~300nm的磷酸鐵鋰材料，從而使鋰離子擁有更快的遷移速度，可實現(xiàn)更大倍率的電流進行充放電。在負極端，沃特瑪同樣采用粒徑更小的人造石墨進行碳包覆小粒徑有利于鋰離子的脫離和嵌入;碳包覆能對電池的循環(huán)壽命進行優(yōu)化改善，微孔的碳結(jié)構(gòu)有利于電解液的吸附，從而起到改善循環(huán)壽命的用途。
在安全防護措施方面，沃特瑪電池采用圓柱結(jié)構(gòu)，并在常規(guī)安全裝置外設(shè)有通氣管裝置和拉斷開啟裝置。通氣管裝置能保證內(nèi)部氣壓的平衡，可戒備電芯內(nèi)局部氣壓過高導(dǎo)致電池爆炸的風(fēng)險;而拉斷開啟裝置在電池過充、過流、過熱的情況下，會產(chǎn)氣斷開電路，終止電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，戒備爆炸的發(fā)生。
磷酸鐵鋰離子電池近年來一直在電池體系中擔(dān)綱主角，盡管理論能量密度上升空間有限，多傳終將被其他電池材料取代，但磷酸鐵鋰找到了新的沖破點，在快充方面向其他電池材料體系發(fā)起了挑戰(zhàn)。可以預(yù)見，將來，憑快充一招鮮，磷酸鐵鋰就可以走得更遠。
