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国产特斯拉降低的底气何在 磷酸铁锂电池或是答案

最近电动车行业最引人关注的点莫过于国产特斯拉Model 3即将搭载宁德时代生产的磷酸铁锂动力电池。大概不少人都不明白何为磷酸铁锂电池,这种电池与目前电动车上常用的三元锂离子电池有什么区别,而且特斯拉为什么要选择磷酸铁锂电池。

动力电池的现状

动力电池领域目前主要有三元锂和磷酸铁锂两大技术路线,两种电池的负极材料均是石墨,三元锂电池由于其正极材料含有镍钴铝或者镍钴锰所以被叫做三元锂,相应的正极材料里没有钴元素的电池被叫做无钴电池,其中的代表就是磷酸铁锂电池。

早期电动车刚起步时,磷酸铁锂也是行业主流之一,最近几年国家在补贴上偏向长续航里程的车型,因此具有高能量密度优势的三元锂电池应用更为广泛。另外,当时电动车刚刚兴起,即便在发达城市,充电桩的数量也极为有限,所以容量更大的三元锂电池更受消费者欢迎。

现如今国家补贴逐年退坡,但消费者肯定不希望车企涨价,这就带来一个问题,电池成本并没有降多少,补贴少了价格还不涨,车企就得做赔钱买卖,所以磷酸铁锂电池重回主流。有研究数据显示,截至2019年年底,国内三元锂电池包的单价为1.05元/Wh;磷酸铁锂电池包的单价为0.8元/Wh。这样的差价车企没法拒绝。

既然磷酸铁锂电池在成本方面有着明显优势,为什么此前没有大规模的使用,最核心的原因就是能量密度。前几年市场上的磷酸铁锂电池电芯能量密度仅为120Wh/kg左右,而特斯拉Model 3上搭载的21700电池电芯能量密度为前者的一倍,所以磷酸铁锂电池只在一些入门廉价的电动车上使用,在中高端电动车上是绝对看不到的。

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至于特斯拉计划使用磷酸铁锂电池的消息,说到底还是能量密度。因为现如今磷酸铁锂电池的能量密度已经有了明显提升。目前宁德时代的电池能量密度暂无数据,不过我们拿比亚迪发布的磷酸铁锂电池来说,其能量密度已经达到190Wh/kg,基本赶上了主流三元锂电池的水平,再考虑到价格优势,车企转而使用磷酸铁锂电池是必然选择。

除了更低的成本,磷酸铁锂电池还有一项优势是三元锂电池无法比拟的,那就是消费者最关注的安全性。三元锂电池由于材料较为活泼且燃点较低,所以耐高温性远不如磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500度以上,三元锂电池则低于300度,一些高镍比例的三元锂电池热失控温度甚至低于200度,所以不难解释为什么搭载三元锂电池的车一旦自燃就会燃烧的非常迅速。

特斯拉为什么要选择磷酸铁锂电池

我们从国家工信部官网上获取了第333批《道路机动车辆生产企业及产品》申报目录信息,其中上海工厂生产的特斯拉Model 3车型搭载磷酸铁锂动力电池。早在今年2月,宁德时代便对外宣布已与特斯拉签订量产供货定价协议,特斯拉将向宁德时代采购锂离子动力电池。

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除了即将采购宁德时代的磷酸铁锂电池外,特斯拉与宁德时代还在共同研发另一款长寿命、低成本电池。特斯拉的这款全新电池是与宁德时代联合开发,同时还部署了特斯拉和马斯克招募的电池专家团队开发的相关技术。在中国推出后,特斯拉还将在包括北美在内的其他市场推出具有更高能量密度和存储容量、成本更低的改进版电池。

那么特斯拉放着好好的三元锂电池不用,为何要选择磷酸铁锂电池呢。能量密度、成本和安全性都是重要考量。前文我们已经说了,早期电动车没有选择价格更低的磷酸铁锂电池而是转向三元锂电池,最直接的原因就是能量密度。现在能量密度已经提升到接近三元锂电池的水准,同时价格还更低,为什么不用呢?至于安全性,这可是磷酸铁锂电池的强项。

磷酸铁锂电池真安全?

随着电动车的大规模普及,消费者对于电动车的接受程度越来越高,但在这一过程中不断有电动车自燃事故的报道,比如特斯拉Model S近几年来在全球范围内就多次发生自燃,引发了消费者对于新能源汽车可靠性的担忧。磷酸铁锂电池纵观这些自然事故发生的主要原因都是电池,但是作为电动车自然是离不开电池的,那么如何保证动力电池的安全性就显得尤为重要。

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磷酸铁锂电池是否安全我们可以借助一个实验来说明——针刺实验。我们从国家关于《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》的征求意见稿可知,所谓的电芯针刺试验是按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法,将电池充满电,用直径为5-8mm的耐高温钢针,以(25±5)mm/s的速度,从垂直于电池极板的方向贯穿,贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心,钢针停留在电池中,观察1小时,不起火、不爆炸才算合格。

对于锂离子电池来说,发生自燃大多是内部电芯热失控。所谓热失控简单来讲就是电池内部的产热速率远高于散热速率,我们拿去年发生在国内的特斯拉Model S自燃事故来看,事故车电池包中的某一个模组电芯出现热失控,随着温度升高然后整个电池包就开始燃烧爆炸。

电芯出现热失控的主因是电池内部短路,在短时间内迅速积累大量热能,热量无法排出从而引发电池包着火甚至爆炸,而针刺实验目的就是人为刺穿电池引发内部短路,观察电池在这种情况下还能不能保证状态稳定。

这里我们借助比亚迪实验室的视频可以很明显看到两种电池之间的区别,首先三元锂离子电池在钢针刺穿三元锂电池使其内部短路后,电池内部压力迅速上升,电池壳体开始膨胀,内压推开泄压阀。电池内部物质一并喷出,直接发生爆炸。比亚迪在做实验时还在电池上放了鸡蛋,观察电池壳体的温度能不能把鸡蛋煎熟,可惜鸡蛋在电池爆炸的过程中被炸飞了。在实验过程中,电池外壳温度最高达到420摄氏度。

上文中我们也提到过,三元锂电池的热失控温度低于300度,在电池被钢针刺穿导致短路后,电池内部温度迅速提升,电池正极材料达到分解温度,分解产生大量的游离态氧,进一步促进了内部化学反应进行,随之而来就是电池内部压力上升推开泄压阀,泄压阀开启后由于电池内部残留的可燃电解液接触到空气中大量氧气,所以最终发生了爆炸。

同样的实验,磷酸铁锂电池面对针刺试验从容不少。从实验结果来看,钢针穿透电池后,短路导致电池内部压力迅速上升,电池外壳鼓胀,随后泄压阀打开,电池内部电解液喷出,之后电压开始下降电池外壳温度上升,在实验过程中,电池外壳温度最高达到239摄氏度,电池外壳上放的鸡蛋已经被煎熟了,足以证明实验过程中电池外壳温度较高。

通过实验结果可以看出,普通磷酸铁锂电池虽然也出现短路发热,但因为其热失控温度更高,所以电池内部发生化学反应的程度并不剧烈,随着压力的提升推开泄压阀泄压,避免了电池内部压力过大发生爆炸,在整个实验过程中,电池没有发生起火和爆炸,安全性还是值得肯定的。

磷酸铁锂电池会成为行业主流吗

答案是肯定,磷酸铁锂电池会与三元锂电池共存。消费者和车企都希望动力电池容量大,同时安全,价格还得便宜。尽管磷酸铁锂电池包的能量密度已经有了大幅提升,但是与三元锂电池还是有一定差距,依照目前充电设施的建设速度来看,消费者对于续航里程的焦虑还在,所以很大一部分车企依旧会选择高能量密度的三元锂电池。

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在安全方面毫无疑问是磷酸铁锂电池完胜,不过三元锂电池也是能够满足日常安全要求的。目前量产车型上的三元锂电池虽然其单体安全系数较低,但是车企在隔热、温控以及碰撞防护等方面花费更多精力设计,尽管这些额外的设备一定程度上限制了电池包整体能量密度的提升,不过依靠电池包安全结构和电池管理系统的优化设计还是能保证电池在日产使用层面上的安全性,国家也有专门的规定,当锂离子电池由于单个电芯热失控而引起热扩散,车辆需要提前5分钟警告用户疏散。

至于价格便宜,这个确实是磷酸铁锂电池的强项,三元锂电池完全没有还手之力。除了上述三项以外,磷酸铁锂电池循环寿命更长,不过在低温状态下的放电特性却不如三元锂电池,另外充电速度也不及后者。

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综合来看,磷酸铁锂电池优点在于更低的成本,更高的安全性,以及更长的循环寿命,而三元锂电池则胜在更高的能量密度,更好的抗低温性,以及更强的充电性能,两者各有优劣,谁也做不到完全取代对方。两种不同类型的锂离子电池应该会有更明确的分工,对于那些追求快充以及长续航的车型,三元锂会是主流选择;而对于价格更加亲民的车型来讲,会更多考虑选择磷酸铁锂电池。如此看来,特斯拉在入门级的Model 3上使用磷酸铁锂电池就非常合理了。

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