中國儲能網(wǎng)訊：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(lán)而勝于藍(lán)”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，是否還有其他的殺手锏以確保其自立于市場？磷酸鐵鋰電池材料的前景頗受關(guān)注。
磷酸鐵鋰的“?！迸c“機”
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)常被拿來與三元鋰電池做比較，二者經(jīng)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，未來或被其他電池體系取代。
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6月25日由FXMITTERMAIER & SOEHNE OHG (DE)獲得，并于同年8月19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。而業(yè)內(nèi)機構(gòu)2017年對車用鎳鈷錳三元鋰電池行業(yè)全球?qū)＠慕y(tǒng)計顯示，無論是其他國家的專利布局還是中國境內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新保護意識，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，我國鎳鈷錳三元鋰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)勢不及三元電池。
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?？斐渥鳛樾履茉雌嚢l(fā)展必須攻克的技術(shù)路徑，其對于緩解續(xù)航里程焦慮、減少充電時間等有著明顯的作用，因此，快充成為車企和電池企業(yè)的發(fā)力方向，也成為磷酸鐵鋰電池未來應(yīng)用的一個亮點。
此外，在2016年12月底發(fā)布的新能源汽車補貼調(diào)整方案中，“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。
快充——磷酸鐵鋰電池的新突破點
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(fù)極移動的速度，很多快充技術(shù)都是圍繞這一點進(jìn)行優(yōu)化。對磷酸鐵鋰電池快充的研發(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(dá)三元材料的1000倍。負(fù)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(dá)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)，確保在低溫和高溫的環(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)化集中充電站，滿足市場對遠(yuǎn)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)，爭取生產(chǎn)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，電池中國網(wǎng)了解到，沃特瑪是磷酸鐵鋰材料體系的堅定擁護者，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(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，可防止電芯內(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)，防止爆炸的發(fā)生。
磷酸鐵鋰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突破點，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，未來，憑快充“一招鮮”，磷酸鐵鋰就可以走得更遠(yuǎn)。
