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锂电池是人类的未来,但谁又是锂电池的未来?
去年这个时候,我曾写了一系列文章,用以讨论动力电池技术路线的选择,其中详尽对比了锂电池、燃料电池、超级电容的优劣。
最终结果是锂电池轻松胜出。
那些认为日本的燃料电池代表未来的人,其实思维还停留在燃油车的时代,只不过是把加油站替换成了加氢站。
至于超级电容,在特定领域有着不可替代的优势——例如轨道交通能量回收、塔吊能量回收、汽车动能回收装置;而在动力汽车领域,由于能量密度和成本的问题,无法成为未来可行的技术路线。
故而毫无疑问,在即将到来的电动车革命中,锂电池将是真正的主角,是未来十年甚至二十年的不可动摇的路线。
而且,一旦锂动力电池经过十多年的发展,全产业链上下形成稳定、完整、成熟的配套后(产业配套是巨大护城河,整个产业链成熟起来,投资可能需要数万亿,这是任何其他新的技术路线难以逾越的障碍),锂动力电池的技术路线就更加难以动摇。
所以,锂电池是这场擂台赛中毫无疑问的冠军。
但是锂电池技术路线内部还有多种技术路线,大致有钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、铁酸锂、三元电池等等,朋友们或许更关注这些技术路线哪一种更具有优势。
为了厘清这一问题,笔者将在本文中进行一系列的深入探讨,不足之处各位朋友文后留言不吝指正。
初选
先说钴酸锂:循环性能太差,且大量使用了极其稀有的金属钴,缺点太过明显,其宿命唯有淘汰。
再说钛酸锂:高充电倍率,寿命长;但也有一个鲜明的缺点——能量密度太低,导致成本过高。
其特性类似于超级电容,这个致命缺点也阻碍其成为动力电池主流路线,故而也无法在初选中脱颖而出。
第三说下锰酸锂:成本低,充电倍率高;但是高温性能差、循环性不佳。
故而很少直接选用锰酸锂作为动力电池,而是同时添加其他材料形成改性电池,例如镍、钴成为镍钴锰电池,从而实现各项性能的均衡。
但是经过这些改进之后,已经不再是简单的锰酸锂电池了,而是成为了三元电池类型中的一种。
这样的论述结果表明:锰酸锂也要被淘汰。
在锂电池众多的技术路线中,磷酸铁锂vs三元电池两种技术路线的对决最为胶着。
磷酸铁锂安全性高,寿命长,但是能量密度低,低温性能差,一致性差;
三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,成本较低,但是安全性能差,循环寿命不如铁锂电池。
当前,磷酸铁锂最成熟的产业链在中国,我们对相关领域掌握的核心技术也较多;而三元电池则以日韩为代表,且更成熟一些。
所以这两种技术路线的对决更有一种中国vs日韩的意味。
过去的一年中,我仍然每天孜孜不倦的思考这个问题,大量阅读相关领域的文章,阅读众多对相关领域技术专家的访谈,思考两种动力锂电池技术路线的优劣。
终于在今天我自认为有了一个较为清晰的认识,下决心完成这篇拖了一年多的稿子,好了,废话不多说,决赛打擂正式开始!
决赛
评价动力电池性能大致有以下7个维度:
1、安全性
2、能量密度
3、循环寿命
4、成本
5、充电倍率
6、电池单体一致性
7、低温性能
作为一种合格的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才能是一种具有可行性的路线。
1、安全性
这个方面磷酸铁锂电池有着鲜明的优势:温度达到480°以上才会分解,能通过针刺、火烧等严酷试验。
以镍钴铝为代表的三元电池,则在180°就会分解并释放出气体,并且反应更加剧烈。
这一局迅速有了结果,铁锂电池胜。
2、能量密度
磷酸铁锂电池由于材料的缘故,放电平台的电压更低,;且压实密度很低,~,这些都导致了磷酸铁锂电池的理论能量密度不高,只有178wh/kg。
而磷酸铁锂的领先厂商比亚迪目前已经把电芯单体的能量密度做到了147wh/kg,比亚迪电池事业部老总王文峰宣称要在2018年把磷酸铁锂做到160wh/kg。
这已经是相当了不起的成就,但已经逼近这一电池路线能量密度的理论上限,未来很难再有大的提升。
而反观镍钴铝(NCA)三元电池(特斯拉采用),当前18650电池能量密度是245wh/kg,未来在model 3上使用的20700电池要把能量密度做到300wh/kg以上。
国内很多产商选择镍钴锰(NCM)三元锂电池技术路线,它的理论能量密度上线是280wh/kg,大疆无人机身上的锂电池就是使用的这种锂电池,当前80%的无人机锂电池由广东的厂商供应。
我看了一下参数,当先规模化生产后的镍钴锰锂电池的能量密度可以做到190wh/kg的水平,距离理论密度上限还有较大距离,还有较大提升空间。
在不久的未来,理想情况下能量密度可以做到230wh/kg以上,电池组整体的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸铁锂高40%左右。
另外磷酸铁锂压实密度较低,这就导致了同等电池容量下,磷酸