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磷酸鐵鋰電池:危機(jī)下的快充突圍

時(shí)間:2017-05-03 23:21來(lái)源:電池中國(guó) 作者:綜合報(bào)道
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  不同的電池材料體系,有著不同的優(yōu)缺點(diǎn),新的電池材料體系迭出,大有“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”的趨勢(shì),尤其是三元材料在電動(dòng)大巴上解禁之后,該體系有著越來(lái)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(jiān)力量,在其能量密度越來(lái)越接近上限的時(shí)候,是否還有其他的殺手锏以確保其自立于市場(chǎng)?磷酸鐵鋰電池材料的前景頗受關(guān)注。

  磷酸鐵鋰的“危”與“機(jī)”

  鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、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(guò)程,這一原理與鈷酸鋰、錳酸鋰等相同。磷酸鐵鋰經(jīng)常被拿來(lái)與三元鋰電池做比較,二者經(jīng)常成為業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。

  這兩種材料都會(huì)在一定溫度下發(fā)生分解,三元材料在200攝氏度左右即發(fā)生分解,而磷酸鐵鋰材料在800攝氏度左右分解,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(shí)現(xiàn)和磷酸鐵鋰同樣程度的安全水平,對(duì)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。磷酸鐵鋰電池單體能量密度約145Wh/kg,相比之下,三元電池能量密度較高,三元鋰電池單體能量密度約220Wh/kg。因此,鑒于磷酸鐵鋰的材料特性,業(yè)內(nèi)頻傳磷酸鐵鋰電池能量密度提升空間有限,未來(lái)或被其他電池體系取代。

  在知識(shí)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(duì)磷酸鐵鋰電池的發(fā)展有所掣肘。最早有關(guān)磷酸鐵鋰的專利申請(qǐng)?jiān)?993年6月25日由FXMITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得,并于同年8月19日公布申請(qǐng)結(jié)果。磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國(guó)德州大學(xué)所有,而碳包覆專利被加拿大人所申請(qǐng),這兩個(gè)基礎(chǔ)性專利很難繞過(guò)去。而業(yè)內(nèi)機(jī)構(gòu)2017年對(duì)車(chē)用鎳鈷錳三元鋰電池行業(yè)全球?qū)@慕y(tǒng)計(jì)顯示,無(wú)論是其他國(guó)家的專利布局還是中國(guó)境內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新保護(hù)意識(shí),錳鈷鎳三元鋰電池的技術(shù)研發(fā)都是當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn),我國(guó)鎳鈷錳三元鋰電池專利申請(qǐng)量在世界上遙遙領(lǐng)先。因此,在專利方面,磷酸鐵鋰的優(yōu)勢(shì)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(kāi)了一扇窗�?斐渥鳛樾履茉雌�(chē)發(fā)展必須攻克的技術(shù)路徑,其對(duì)于緩解續(xù)航里程焦慮、減少充電時(shí)間等有著明顯的作用,因此,快充成為車(chē)企和電池企業(yè)的發(fā)力方向,也成為磷酸鐵鋰電池未來(lái)應(yīng)用的一個(gè)亮點(diǎn)。

  此外,在2016年12月底發(fā)布的新能源汽車(chē)補(bǔ)貼調(diào)整方案中,“3C-5C、5C-15C、15C+”三個(gè)檔次的快充倍率,可分別獲得0.8倍、1倍、1.4倍補(bǔ)貼,在該政策激勵(lì)下,走磷酸鐵鋰技術(shù)路線的企業(yè)加大了在快充方面的研發(fā)力度,快充使磷酸鐵鋰電池獲得了的新突破點(diǎn)。

  快充——磷酸鐵鋰電池的新突破點(diǎn)

  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(guò)化學(xué)體系的設(shè)計(jì),加速鋰離子在正負(fù)極移動(dòng)的速度,很多快充技術(shù)都是圍繞這一點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)磷酸鐵鋰電池快充的研發(fā),寧德時(shí)代和沃特瑪具有代表性。

  寧德時(shí)代的磷酸鐵鋰快充技術(shù)比較成熟,正極方面,寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù),在確�?斐潆姵叵到y(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(dá)三元材料的1000倍。負(fù)極方面,寧德時(shí)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(dá)4C~5C,并能保證系統(tǒng)級(jí)別70Wh/kg以上的能量密度,實(shí)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(shí)代還專門(mén)開(kāi)發(fā)了熱管理系統(tǒng),確保在低溫和高溫的環(huán)境里實(shí)現(xiàn)快充。

  寧德時(shí)代總裁黃世霖表示,寧德時(shí)代將開(kāi)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)化集中充電站,滿足市場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)距離行駛和短時(shí)間充電的需求。據(jù)了解,寧德時(shí)代將逐步提升電池能量密度,提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程,2017年年底前推出新技術(shù),爭(zhēng)取生產(chǎn)出充電10分鐘、續(xù)航300公里的電池產(chǎn)品。

  通過(guò)對(duì)沃特瑪?shù)恼{(diào)研和相關(guān)資料的查閱,電池中國(guó)網(wǎng)了解到,沃特瑪是磷酸鐵鋰材料體系的堅(jiān)定擁護(hù)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)更大倍率的電流進(jìn)行充放電。在負(fù)極端,沃特瑪同樣采用粒徑更小的人造石墨進(jìn)行碳包覆——小粒徑有利于鋰離子的脫離和嵌入;碳包覆能對(duì)電池的循環(huán)壽命進(jìn)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)壽命的作用。

  在安全防護(hù)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(kāi)啟裝置。通氣管裝置能保證內(nèi)部氣壓的平衡,可防止電芯內(nèi)局部氣壓過(guò)高導(dǎo)致電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn);而拉斷開(kāi)啟裝置在電池過(guò)充、過(guò)流、過(guò)熱的情況下,會(huì)產(chǎn)氣斷開(kāi)電路,終止電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng),防止爆炸的發(fā)生。

  磷酸鐵鋰電池近年來(lái)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突破點(diǎn),在快充方面向其他電池材料體系發(fā)起了挑戰(zhàn)�?梢灶A(yù)見(jiàn),未來(lái),憑快充“一招鮮”,磷酸鐵鋰就可以走得更遠(yuǎn)。 (責(zé)任編輯:admin)
文章標(biāo)簽: 電池 三元電池 磷酸鐵鋰
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