特斯拉为什么不使用以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池?

2017-11-01

  大家都知道,磷酸铁锂是一个重要的电极材料。而磷酸铁锂作为电极材料使用,需要用磷酸铁锂粉碎机进行超微粉碎。很多人会问特斯拉为什么不使用以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池?

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特斯拉为什么不使用以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池

  首先,我们需要先了解一个概念, “锂电”是我们一般说的“锂离子电池”的简称,而 “铁电”,其实是使用磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池,它是“锂电”的一种。

  特斯拉使用的松下18650锂电池,以NCA为正极,并且设计了复杂的电池管理系统,从而尽可能保证和提高了电池工作的高效性与安全性。至于是否绝对的安全,这个无法回答,如果想说自燃,我还想说汽油车夏天自燃呢。

  对于纯电动汽车(不考虑插电混动以及纯混,人家可以靠汽油开挂),我们最最纠结的是什么?里程焦虑,就是开不远,因为电池的能存储的能量密度太低,车用电池成组后现在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的这个数值大概是10000,所以哪怕你像乌龟一样背一车电池都不见得解决问题。大家天天吐槽电动汽车天天充电跑不远半路没电了怎么办,都是能量密度太低给害的。

  现在电池技术的最大短板,就是能量密度太低,落后于摩尔定律无穷远。别扯那些锂空什么的,即使它们能量密度也不够高,关键是离实用还远。

  所以至于为什么不采用磷酸铁锂电池,我想说,主要原因,应该是容量(Capacity单位是Ah)-以及能量(Energy,即容量的Ah乘以电压,得到Wh)偏低(磷酸铁锂容量比三元低一点,电压还低,只有3.4V,所以乘出来的能量就更低了)。实际的汽车用电池组都是串并联组合出来的,需要用串联来提高电压,此时,单节单池的电压以及不同电池之间的容量一致性显得非常重要,光说容量低是不严谨的。

  要对比几种正极材料,我们就必须引入这个图,即五个重要性能判据:

  Power功率,Life寿命,Cost成本,Safety安全,以及Energy能量。

  对比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA,LCO钴酸锂,LFP磷酸铁锂,LMO锰酸锂。NCA和NCM比较相近,算是材料中的近亲,因此在这里归为一类说。

  LCO = LiCoO2 , layered, NMC = LiNixMnyCozO2 , layered, NCA = LiNi1-y-zCoyAlzO2 , layered, LMO = LiMn2O4 spinel, LFP = LiFePO4 olivine

  从这个图中,我们可以看出:

  LFP材料

  Energy能量最低(悲剧,容量低是一方面,3.4V的低电压才是问题,反面例子就是镍锰酸锂尖晶石,电压4.7V)。篇幅所限,就不在这里放充放电曲线了。

  Power功率一点也不低(在鄙研究所自制的中试级磷酸铁锂,5C可以做到130mAh/g滴(当然PHOSTECH的也可以。。。)。包碳+纳米化材料倍率性能还是很强大的!)。

  Life寿命和Safety安全性最优,这主要得益于该材料中聚阴离子PO43-

  的结合作用,使得氧结合的更好,与电解液的反应活性低,不像三元材料那样更容易出现一些产生氧气鼓泡等现象。寿命上,一般认为可以>4000次循环。

  Cost成本,磷酸铁锂还不错,成本上仅次于LMO锰酸锂材料(这个东西,空气烧,锰源又便宜),第二有竞争力。磷酸铁锂的原料,磷铁锂都比较便宜,但是做成纳米粉需要一些成本,热处理又要在惰性气氛下进行,种种工艺要求,导致该材料的成本(国产的大约10W/t)不像LMO那么低(6~7W/t),但是比起NMC(13W/t),LCO(更贵)还是便宜一些的。

  原因:钴比镍贵(我国贫钴啊有没有),镍比锰铁要贵,用什么原料,有什么成本。

  然后再对比分析以下NCM/NCA材料

  能量最有优势(电动汽车就想跑远点,这个最重要)。此外随着高镍NCM材料的研发推出,这个材料的能量密度还能有进一步的提升

  功率还可以(其实也够用了,对于纯电动汽车,能量比功率特性更为重要,对于丰田Prius这种混动车,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)

  寿命,也不错。之前的时候,三元材料可能寿命在1000次左右,但是近几年来随研发工作的进展,该材料的寿命已经可以达到2000周(好像标准是还能保持80%还是多少,记不清了),这就已经很可观了,比如你电动汽车,一天一充,一年365次,2000次够你6年了,好多人这时都打算换车啦。

  成本有点高(先承认这点),毕竟用了些镍钴金属,成本高点正常,但是这个材料至少比LCO钴酸锂便宜,所以以后在日常电子消费品领域,取代LCO材料还是比较有前途的。

  安全差(回应Arthur Wang的意见),尤其是相对于磷酸铁锂而言,NCM/NCA材料充电时会往外冒氧气~~~,使用中出事的可能性也高于LFP材料,三元材料电池安全性一直存在一些问题。

  但是说到这里,电池里不只有正极材料,我们还可以通过电解液成分调节,隔膜优化(陶瓷隔膜神马)以及优化电池控制系统(冷却,安全防护)来减轻这个问题。虽然NCM/NCA材料的安全性一直算是个问题,但是还是有提高的空间和解决的办法的。说能完全解决安全问题的,我认为都是在耍流氓。电池控制系统,是尽可能提高安全度,不可能保证100%安全。

  所以在此对比一下这两个材料,最重要的能量密度上NCM/NCA完胜,寿命上NCM/NCA不差,安全上NCM/NCA差些,但是不严重,功率不算太重要,两者都不错,成本上NCM/NCA高一点。

  但是在这里注意了:成本上NCM/NCA高,是单位质量的成本 (rmb/kg)。考虑到单位质量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成单位能量的成本的话(rmb/Wh),NCM/NCA还更有优势一些,所以从单位材料的成本来单纯计算,结果可能是比较有欺骗性的。

  另外一点,就是磷酸铁锂放电平台太平,不好做电池控制系统啊,NCM/NCA这方面就要好些。

  不过作为一名磷酸铁锂研究人,我也得为我们的材料说几句话:在追求安全性、倍率性的场合,磷酸铁锂电池还是有优势的,尤其是请天天吵着电动车、电池不安全的人多为我们磷酸铁锂投票~。此外磷酸铁锂不需要用镍钴这些玩意,对于国家资源安全是有所帮助的(好吧,其实也用不太多,不过这产业一旦大了用量也可观);还有,磷酸铁锂材料毕竟寿命还是最好的,所以在某些要求时间的场合,它有优势(比如有的电池便宜,但是寿命可能只是磷酸铁锂的一半不到,折合使用时间后成本就不一样了,我才不告诉你是LMO呢),大家要学会算账。在一些能量密度要求不是特别高的场合,磷酸铁锂还是有优势的,比如储能等新领域。

  所以,说来说去,为了让纯电动汽车跑的更远,能量密度更高的电池更受青睐。