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特斯拉采用的锂电池真的安全吗?

2015-12-09 19:53 · 稿源:雷锋网

【编者按】本文作者弗雷刘,陶瓷材、锂电材料、动力电池、THU博士。现任职于清华大学能源互联网创新研究院,主要负责储能技术开发。

作为在一个研究所工作的工程师狗,终于有机会在自己的领域说几句了。

首先纠正一个概念,“锂电”是我们一般说的“锂离子电池”的简称,而有些人说的“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。

特斯拉为什么使用松下 18650 锂电池?

OK,现在开始回答,先说简单版通俗型摘要:

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,你如果想说自燃,我还想说汽油车夏天也自燃呢。

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。

本人的工作就是在国内某研究所做磷酸铁锂的某升级产品的研发,还同时乱看一些其它材料,锂电池和电动汽车的东西,所以在这里答一下。

(现在开始华丽地半学术地展开斯米达)

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,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。

哪个更安全?

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。

说到这里,我忍不住要吐槽:你们天天嫌电动车贵,就是因为电池用的多,就是因为单位能量的成本(rmb/Wh) 这个数太高,其实真的很难降啊,我们都快喝西北风了啊啊啊啊==

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狗,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。当然,如果你对高电压磷酸锰铁锂材料有兴趣的话,我只想说四个字:请联系我。

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。

参考文献: The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase. Adv. Energy Mater. 2012,DOI: 10.1002/aenm.201200028

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