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鐵鋰的三大優勢

作者:admin 點擊:1649

       動力電池市場,鐵鋰與三元兩條技術路線相互競爭,並且各有優勢。盡管目前鐵鋰處於落後位置,但是從鐵鋰路線本質上來看,磷酸鐵鋰動力電池還是擁有強大的三大核心優勢:高安全、低成本和長壽命。  
1、鐵鋰優勢一:高安全性  
       汽車的安全是個係統性工程,某一個零部件的不夠安全並不代表汽車本身的不安全。新能源汽車核心零部件動力電池包,是由電芯經過串並聯後做成電池模組,再串並聯,並加上冷卻係統、結構件、外殼等組成。對於動力電池包而言,電芯某些性能的不足,可以通過電池包的設計,結構件的輔助等,達到動力電池包的安全性指標要求。  
       新能源汽車在使用過程中,機械濫用、電濫用和熱濫用等,包括日常使用過程中車輛發生嚴重碰撞、電池過充或過放電行為,均可能導致動力電池熱失控。當動力電池發生熱失控時,並不是突然著火或者爆炸。尤其是在電芯層麵,需要經過一係列的連鎖化學反應,才會出現著火等情況。  
       當電芯內部發生熱失控時,一般先是SEI膜分解,然後是負極材料熱失控,再是正極材料分解,並且隨著反應的進行,電芯內部放熱速率快速上升,導致電解質分解,電解液燃燒等,出現電芯層麵的熱失控,可能會導致電池包出現著火等現象。在這一係列的連鎖反應中,如果某一個關鍵的環節被打斷,比如正極材料的熱分解沒有進行,則  可能會打斷後麵的連鎖反應,從而大幅度降低動力電池熱失控所帶來的破壞。  
       三元技術路線和鐵鋰技術路線本質區別在於電芯所選用的正極材料不同。電芯主要是由正極材料、負極材料、隔膜和電極液等四大材料組成。鐵鋰技術路線的電芯正極材料是磷酸鐵鋰,三元技術路線的電芯正極材料是三元材料,包括NCM係列的111、523、622和811,以及NCA係列。目前幾種商業化應用的正極材料,磷酸鐵鋰的熱分解溫度要高於三元,並且熱分解過程中,放熱量小。  
       從材料的結構來看,磷酸鐵鋰正極材料為橄欖石結構,其結構中的磷酸基、Fe-P-O鍵遠強於層狀結構NCM中的Ni-O、Co-O和Mn-O鍵,因此磷酸鐵鋰有更好的熱穩定性。一般磷酸鐵鋰材料熱分解溫度約為250~270℃,三元材料的熱分解溫度約為220~240℃。並且三元材料中隨著鎳含量增加,NCM523、NCM622和NCM811從層狀相到尖晶石相的相轉變溫度快速降低(235℃、185℃和135℃),尖晶石相存在的溫度區間也在逐步縮減,熱穩定性逐步降低。  
       因此,由於磷酸鐵鋰正極材料的高熱穩定性以及鐵鋰電池熱失控時低放熱量,在電芯其他材料相同,電池包結構設計相同,結構件相同等條件下,磷酸鐵鋰動力電池的安全性一般要高於三元動力電池。  
2、鐵鋰優勢二:低成本  
       磷酸鐵鋰動力電池除了安全性比較高之外,另一顯著優勢低成本。這一優勢主要來源磷酸鐵鋰正極材料中的主要原料磷、鐵都比較便宜。目前國內磷酸鐵鋰正極材料的製備方法主要是固相合成法:以磷酸鐵作為前驅體,與碳酸鋰、蔗糖混合後,經高溫燒結,製備磷酸鐵鋰。  
       前驅體磷酸鐵的製備方法有多種,比較低成本的製備方法是用硫酸亞鐵和磷酸來製備。磷酸是大宗商品,而硫酸亞鐵主要來源硫酸法製備鈦白粉的副產品。從整個磷酸鐵鋰正極材料的原材料來看,除了碳酸鋰的價格相對較高以外,其他的硫酸亞鐵、磷酸、蔗糖等都十分便宜。  
       而三元材料(NCM、NCA)中主要元素鎳、鈷等均為重金屬,並且我國鈷資源十分稀缺,主要依賴從剛果金等地區進口。目前市場上報價,每噸磷酸鐵鋰正極材料價格不到6萬元,而523三元正極材料價格~15萬元/噸,622三元正極材料為~17萬元/噸,811三元正極材料~20萬元/噸。磷酸鐵鋰正極材料的價格不到三元正極材料的一半。目前方形磷酸鐵鋰電芯價格0.95~0.98元/wh,方形三元(523)在1.05~1.08元/wh。  
       此外,對比單位Wh的鐵鋰動力電池和三元動力電池(523、622、811)的四大原材料總成本,鐵鋰仍占明顯優勢。如果以四大原材料的當前價格作為計算基礎,並且基於三元動力電池性能達到較高水平進行計算。  
       主要假設,622和811三元正極材料的克容量可以達到180mAh/g和205mAh/g(正極材料克容量越高,則單位Wh動力電池用的正極材料量越少,從而成本更低)。  
       第二:隨著三元電池技術路線升級,從523升級到622,再從622升級到811,單位Wh動力電池使用的負極、隔膜和電解液用量都相應減少15%。目前鐵鋰的四大材料總成本是0.26元/Wh,而三元的四大材料成本比鐵鋰的至少高35%。磷酸鐵鋰技術路線相對於三元技術路線有明顯的成本優勢。  
3 、鐵鋰優勢三:長壽命  
       磷酸鐵鋰電池的第三大優勢是長壽命。從正極材料的晶體結構來看,磷酸鐵鋰是橄欖石結構,鋰離子嵌入和脫出是一維通道,對材料的晶體結構影響較小,因此磷酸鐵鋰動力電池循環性能較好,具備較長壽命。  
       而三元正極材料是層狀結構,鋰離子進出通道是二維結構,鎳離子容易變成4價,導致正極材料容易析出活性氧,在長期循環過程中,易與電解液發生反應,降低電池的循環壽命。由於動力電池的循環性能不僅取決於正極材料的性能,還受選用的電解液、隔膜、負極等材料的影響,因此對於同一技術路線的動力電池,循環壽命也會有較大差距。一般而言,在1C常溫充放電情況下,三元電池的循環壽命是1500~2000次,而磷酸鐵鋰電池的循環壽命可以超過3千次。  
       長壽命性能給退役的鐵鋰動力電池帶來新的價值。鐵鋰動力電池退役後,可以進入梯次利用市場,包括鐵塔基站,分布式儲能等領域。以鐵塔基站應用為例,中國鐵塔於2015年10月開始退役動力電池梯級試點應用研究,2016年10月進行可行性研究,2017年3月擴大試點,並在2018年大規模應用。目前中國鐵塔梯級利用退役動力電池以磷酸鐵鋰技術路線為主,試點運行2年多,運行狀態良好。  
       2018年中國鐵塔梯級利用退役動力電池約1.5GWh。隨著5G網絡逐步開始建設,小型、微型基站數量大幅增加。目前中國鐵塔對小型、微型基站的供電解決方案是可就近引接路燈電源供電。路燈電源雖然普遍為間歇性供電(夜間8小時供電、晝間不供電),但引接方便,通過增加儲能係統能夠以較低的成本實現小型、微型基站的開通,並且能將一個微站的開通時間由168小時縮減到3小時。  
       由於磷酸鐵鋰動力電池高安全性,並且長壽命,退役後在梯次利用市場更有競爭力,可以進一步降低磷酸鐵鋰動力電池全生命周期的成本,從而使得鐵鋰技術路線更有成本優勢。