磷酸鐵鋰電池在輕型電動車市場應用難點分析

導 讀

磷酸鐵鋰電池以其低成本、長壽命、高安全性的特點而著稱，在輕型電動車市場獲得了規(guī)模化的應用，但是它的缺點也制約著未來的發(fā)展前景。

一、磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點

在鋰電池商業(yè)化應用的三十多年以來，形成了鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等幾種不同的正極材料發(fā)展路線，在不同的市場和領域各領風騷。

磷酸鐵鋰電池在新能源汽車、儲能、通信、輕型電動車等市場均取得了大規(guī)模的應用，隨著成本的下降和性能的提升，未來的發(fā)展前景非常廣闊。

磷酸鐵鋰電池有以下幾個突出的優(yōu)點：

1、不含鈷、鎳等貴金屬，制備工藝簡單，成本相對低廉

2、循環(huán)壽命較長，部分高端產(chǎn)品可達到6000次以上的循環(huán)壽命

3、材料熱穩(wěn)定性好，安全性能相對比較突出

4、國內產(chǎn)業(yè)鏈成熟，產(chǎn)能大，產(chǎn)品型號豐富

正是因為以上幾個優(yōu)點，磷酸鐵鋰電池在許多細分領域都獲得了廣泛的應用，推動了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進步。

在輕型電動車市場，隨著鋰電化程度的不斷提高，磷酸鐵鋰電池的裝機量也不斷提升，但是磷酸鐵鋰電池的固有缺點，對磷酸鐵鋰電池市場份額的擴大有一定的負面影響。

兩輪、三輪以及低速四輪的輕型電動車產(chǎn)品，并不追求高能量密度和大倍率的充放電性能，所以磷酸鐵鋰電池在能量密度以及充放電方倍率方面的缺點并不是制約因素，問題主要集中在放電電壓曲線較為平直以及低溫充放電性能不佳這兩個方面。

二、平直的充放電電壓曲線

眾所周知，磷酸鐵鋰電池的充放電電壓曲線較為平直，為了減少充放電電流和內阻對電壓曲線的影響，我們以OCV（開路電壓）曲線作為參考，來簡單分析一下。

藍色曲線為鈷酸鋰，紅色曲線為磷酸鐵鋰，從圖中可以看出，鈷酸鋰的OCV曲線有一定的斜率，而磷酸鐵鋰的OCV曲線基本是平直的（不考慮末端跳水），在5%~90%這段SOC區(qū)間內，磷酸鐵鋰電池的開路電壓（OCV）基本集中在3.2~3.3V之間。

這個問題，對充電影響不大，充電基本都是盲充，到3.6~3.65V進行保護，停止充電。但是對放電影響非常大，主要是影響SOC的估算精度。

在新能源汽車，儲能等領域使用磷酸鐵鋰電池，為了提高SOC計算精度，一般采用高性能的芯片，通過采集電流，進行安時積分，用軟件程序來計算SOC，再通過充電末端保護來進行SOC修正，以達到較高的精度。

但是這種方法很難大規(guī)模應用到輕型電動車產(chǎn)品，主要原因是成本太高，一塊帶SOC計算功能的軟件BMS，成本至少要一百元以上，這對成本非常敏感的輕型電動車而言，有些難以承受。

以4812/4815等產(chǎn)品為例，終端售價只有四五百元左右，無法承受高出來的幾十元，甚至上百元成本。

目前，主要在兩輪電動車換電和高端電摩等對成本相對不太敏感的細分市場，采用軟件BMS，而在民用級產(chǎn)品里面，仍然采用硬件保護板的方案，根據(jù)電池電壓來判斷SOC（電量），導致誤差非常大，會突然跳變，用戶體驗很不好。

三、低溫充放電性能不佳

因為材料特性，磷酸鐵鋰的電子電導率和離子擴散速度都比較低，導致其充放電性能不佳，這個缺點在低溫下表現(xiàn)得更為明顯。

一些沒有經(jīng)過低溫設計優(yōu)化的磷酸鐵鋰電池，在零度以下很難充電，在-20℃以下很難有效放電。

即使一些經(jīng)過簡單設計優(yōu)化的磷酸鐵鋰電池，低溫性能也不佳，一般在-10℃的環(huán)境溫度下，可逆的充放電容量只有常溫下的60%左右。

這個缺點，導致磷酸鐵鋰電池在冬季容易縮水，極度影響用戶體驗。在新能源汽車領域，以北京等華北地區(qū)為例，使用磷酸鐵鋰電池的車型，冬季的續(xù)航里程只有夏季的一半，以至于電動車得了一個“電動爹”的外號。

到了東北、西北等地區(qū)，磷酸鐵鋰電池很難扛住冬天極低的氣溫，畢竟我們不能為輕型電動車產(chǎn)品裝配高性能的熱管理系統(tǒng)，只能靠電池自身的體質來承受極低氣溫的考驗。

近年來，針對磷酸鐵鋰電池低溫性能改善的研究取得了非常明顯的進步，通過對正極材料的表面碳包覆和離子摻雜、增加碳納米管/石墨烯作為導電劑、電解液的鋰鹽材料優(yōu)化和添加耐低溫的添加劑，以及針對負極石墨材料的無定型碳包覆等，都能在一定程度上改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能，可以保證磷酸鐵鋰電池在-30℃的溫度下，仍能有效的充放電，可逆容量能夠達到常溫下的80%。

但是，這些改進在明顯改善低溫性能的同時，必然帶來成本的增加，這就像坐蹺蹺板，這一頭下來了，那一頭又起來了。

這是一個很難平衡的事情，成本是磷酸鐵鋰電池最大的競爭優(yōu)勢，如果喪失了成本優(yōu)勢，即使性能提升了，也是得不償失的。

四、總結

沒有完美的技術和產(chǎn)品，磷酸鐵鋰電池有其突出的優(yōu)點，較好的平衡了成本、壽命和安全性，但是平直的放電電壓曲線以及低溫性能不佳，又給它的規(guī)模化應用帶來了一定的困難。

但是筆者相信，通過眾多企業(yè)的努力，這些難題一定能夠得到有效的解決，讓磷酸鐵鋰電池在輕型電動車市場占據(jù)重要的地位。