磷酸铁锂与三元锂：谁是电池界的宿敌？

锂离子电池技术发展到现在，已经催生出了两个佼佼者——磷酸铁锂电池和三元锂电池。这两种电池各具特色，难分伯仲。而且它们彼此较劲，似乎已经爆发出一场兵来将挡、未知结果的战争。磷酸铁锂电池与三元锂电池凭借各自优越的性能在不断斗法和较量。表面上看，胜利的天平在渐渐偏向三元锂电池，尤其是国家补贴新政对电池能量密度提出要求之后，在小型乘用车领域，三元锂电池已经全面取代磷酸铁锂电池，风光无限。但这是否能够证明三元锂电池比磷酸铁锂电池更加优秀，代表了未来电池的发展方向呢？结论可能不会这么简单，因为还有许多复杂的因素可能影响结论的正确与否。

磷酸铁锂电池的特点在于安全性高、高倍率充放电特性和较长的循环寿命[171]。有资料显示，磷酸铁锂电池在充电条件为1C倍率时充电至3.65 V，然后转恒压至电流下降到0.02C，之后再以1C倍率放电至截止电压2.0 V，循环1 600次之后电池容量仍有初始容量的80%。其充放电特性也较为稳定，以0.5C、1C、3C不同倍率放电时，放电容量下降不到5%，电压在放电过程中有着较大的稳定平台，大倍率放电情况下的稳定性关系着电动车在急加速、高速等大功率需求工况下的性能表现，电压越稳定，车辆性能表现也越好。另外，这也可以解释为什么电动车高速行驶时续航能力会减弱：电池在大功率输出时，实际放电容量会缩小[172]。

磷酸铁锂电池还拥有良好的快充特性，3C倍率充电条件下，15分钟可以充电55%，30分钟充电容量超过95%[173]。但需要提醒的是，这是在实验室条件下获得的，另外测试用品也仅仅只是一块20 Ah、3.65 V标称电压的单电池，与车用400 V左右电压、100 Ah及以上容量的电池组是不能相提并论的，因为两者的充电功率相差百倍以上。

除了寿命长、充放电性能优秀之外，磷酸铁锂电池最大的优点在于安全性。磷酸铁锂的化学性质十分稳定，高温稳定性很好，700～800℃才会开始发生分解，且在遭遇撞击、针刺、短路等情况时不会释出氧分子，不会产生剧烈的燃烧，安全性能高。

但是，事物都有两面性。磷酸铁锂电池的缺点在于其性能受温度影响较大，尤其在低温环境下，其放电能力和容量都会大幅度降低。此外，磷酸铁锂的能量密度较低，仅算电池的重量能量密度只有120 Wh/kg；如果计算整个电堆，将电池管理系统、散热等零部件的重量包括在内，那么其能量密度就更低了，远远达不到国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》明确提出的“电池模块的能量密度大于150 Wh/kg”的要求。

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图2-9　三元锂电池结构示意图

三元锂电池指的是含有镍钴锰三种元素的过渡金属嵌锂氧化物复合材料正极的锂电池，这种材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，结构见图2-9。由于三元协同效应，其综合性能优于任一单组合化合物，其重量能量密度能够达到200 Wh/kg[174]。

但是，三元锂电池的安全性较差。这是由于三元锂电池热稳定性较差，250～300℃就会发生分解，遇到电池中可燃的电解液、碳材料后一点就着，产生的热量会进一步加剧正极分解，在极短的时间内就会爆燃。车祸中，外力撞击会损坏电池隔膜，进而导致短路，而短路时发出的热量会造成电池热失控，并将迅速升温至300℃以上，存在自燃风险。因此，对于三元锂电池而言，其电池管理系统、散热系统就至关重要。为了提高产品的安全性，使用具有较强耐热性的材料，采用泄压阀控制电池内的压力、主动控制电池的电流，并且实时监测电池充电状态，并能够强制切断电流回路提高安全性[175]。这些都是目前可行的提高三元锂电池安全性的措施。

基于安全性考虑，采用三元锂电池的新能源客车很长时间内无法进入工信部的新能源车目录，而轿车、货车则不受影响。虽然有着安全顾虑，但因为政策对能量密度的硬性规定，三元锂电池已经呈现取代磷酸铁锂电池的趋势，成为乘用车的主流。2017年，我国工信部公布的8批共296款新能源乘用车中，采用三元锂电池的车型有221款，而采用磷酸铁锂的仅有33款。比亚迪曾是国内磷酸铁锂电池的领跑者，但从2016年起，旗下的新能源车，包括秦、唐等所有PHEV（Plug in Hybrid Electric Vehicle，通过插电进行充电的混合动力车）乘用车等都开始匹配三元锂电池，唯有大巴车仍然采用磷酸铁锂电池组。比亚迪公司坑梓工厂的三元锂电池产能达到6 GWh，磷酸铁锂电池产能达到8 GWh，而新建的青海工厂的三元锂电池产能更是将达到18 GWh。

迄今为止，三元锂电池和磷酸铁锂电池的斗法还未分出胜负，三元锂电池略占上风，但两者至少在现阶段都不是完美的解决方案，石墨烯或者燃料电池等其他替代能源技术都在一旁虎视眈眈，随时准备取而代之。