危机下的磷酸铁锂电池寻求新的突破

来源:钜大LARGE    2017-05-03    点击量: 252
        每一种电池材料体系都有其特点,也都有自己的优缺点。随着科技不断的发展进步,新的电池材料体系迭出,呈现着“青出于蓝而胜于蓝”的趋势,三元材料就是一个很明显的例子,自从在电动大巴上解禁之后,该材料体系的呼声就越来越高。而磷酸铁锂材料体系作为当前锂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能在市场中占有一席之地呢?业内各企业也都在关注着磷酸铁锂电池材料的前景。
        在谈磷酸铁锂电池的前景之前,我们来了解一下,磷酸铁锂电池面临哪些“危”和“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,这两种材料也经常成为业内争议的焦点。
        对于这两种材料,它们有相同点也各有其不同,它们都会在一定温度下发生分解,磷酸铁锂材料在800摄氏度左右发生分解,而三元锂材料则在200摄氏度下就会分解,这意味着,三元材料更易成为火灾事故的“帮凶”。因此,三元锂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。但在密度方面,三元电池的能量密度是高于磷酸铁锂的。磷酸铁锂电池单体能量密度约为145Wh/kg,相比之下,三元锂电池以单体密度约220Wh/kg高于磷酸铁锂。因此,鉴于磷酸铁锂的材料特性,业界认为磷酸铁锂的能量密度提升空间有限,未来可能会被其他电池体系所取代。
        磷酸铁锂在知识产权日益被重视的当下,其相对于三元材料发展有所掣肘。最早有关磷酸铁锂的专利申请在1993年6月25日由FXMITTERMAIER & SOEHNE OHG (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。
        除此之外,磷酸铁锂在能量密度方面天花板略低,可发挥空间并不算很大,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。
        但是,磷酸铁锂电池却在快充技术方面找到了突破点,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,当属宁德和沃特玛了。
        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。
        通过对沃特玛的调研和相关资料的查阅了解到,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。
        近年来,磷酸铁锂电池一直是电池体系中的主角,尽管能量密度上升的空间在理论上有所限制,也有很多传言称将被其他电池体系取代,但是磷酸铁锂电池却在快冲方面找到了突破点,并向其他电池材料体系发起了挑战,可以肯定的是,磷酸铁锂电池凭借这快充这一优势,应该能够走的越来越远。
 
 
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