淺談磷酸鐵鋰電池及其在電動船舶行業應用與發展

劉艷良

（1、福建省港航事業發展中心，福建 福州350002 2、福建宏業交通服務有限公司，福建 福州350002）

近年來，隨著環保與船舶排放標準的提高,尤其是《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法》（GB15097-2016）實施以來，各地對船用內燃機的排放要求層層加碼，越來越多的水域與地區禁止內燃機船舶的進入，現如今中華人民共和國海事局發布的船舶法規《船舶與海上設施法定檢驗技術規則- 國內航行海船法定檢驗技術規則（2020）》也將于2020 年8 月1 日起實施，該船舶法規對船舶的排放標準要求更加嚴格; 因此發展新興無污染新能源的船舶將是大勢所趨。尤其是新興的“鋰電池電動船舶”以綠色環保、零污染、安全以及使用成本低等優點，將成為內河、湖泊的短距離運輸船、觀光船、輪渡船等的首選船舶。而作為鋰電池家族最安全磷酸鐵鋰電池，伴隨著近年來相關鋰電池技術在安全、長續航、大功率、長壽命等技術難題的突破，磷酸鐵鋰電池以其相對較低的價格,較高的能量密度簡易的維護,以及優異的安全性能將成為電動船舶發展的優選能源。

1 磷酸鐵鋰電池的結構特點與充放電過程

磷酸鐵鋰電池其全稱為磷酸鐵鋰鋰離子電池，其內部有以正交橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO4)為主要原料構成的正極；以碳（石墨）與粘合劑的混合物再加上有機溶劑調和制成糊狀涂覆在銅基體上并呈薄層狀分布的負極；用以傳導的特殊電解質以及用于能起到關閉或阻斷通道的作用隔膜或稱隔離膜。

磷酸鐵鋰電池的內部結構如圖1 所示，左邊的是LiFeCOPO4，具有橄欖石結構是電池的正極，通過鋁箔與電池正極連接；右邊主要是由碳（石墨）組成的負極，通過粘合劑組成的碳（石墨）混合物與電池的負極連接。中間的部分就是起到關閉或阻斷通道的作用隔膜，電池的上下部分填充電解質，電池的外殼一般由金屬組成且密閉封裝。

磷酸鐵鋰電池的充放電原理是：充電過程中，磷酸亞鐵鋰中的部分鋰離子脫出，經電解質傳遞到負極，嵌入負極碳材料，磷酸鐵鋰電池的充放電反應主要發生在LiFePO4和FePO4兩相之間進行，在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子（Li+）形成FePO4。LiFePO4-χLi++χe-→χFePO4+(1-χ)LiFePO4（電池充電過程）- 磷酸鐵鋰電池的放電時，是離子自負極石墨中脫出，經電解質到達正極，同時負極釋放電子，自外部放電電路到達正極，并在此過程中為外部提供能量。在放電過程中，鋰離子嵌入磷酸鐵（FePO4）晶體形成磷酸鐵鋰（LiFePO4）。

FePO4+χLi++χe-→LiFePO4+(1-χ)FePO4（電池放電過程）

2 磷酸鐵鋰電池作為電動船舶動力源的優勢

磷酸鐵鋰電池安全性和耐高溫性能優異正交橄欖石結構的LiFePO4 正極磷酸鐵鋰電池是目前最安全的鋰離子電池正極材料，且不含有對人體有害的重金屬元素，其橄欖石結構的晶體結構構架穩固，氧（O）與磷（P）以強共價鍵牢固結合，使其結構中的氧難以與電解質發生氧化反應，即便在高溫情況下也不會形成結構崩塌發熱，這能夠很好的保證電池充放電過程的穩定性與安全性，磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣（-20℃～+75℃），其優異的高溫性能、安全性方面具有突出的優勢使其成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。

2.1 磷酸鐵鋰電池的使用壽命更長

磷酸鐵鋰電池，完整充電循環壽命在2000 次以上，標準充放電（5 小時率）使用，一般可達到2000 次。而鉛酸電池的循環使用次數在300 次左右，最大一般不超過500 次，使用年限多在1～1.5年時間，相同條件下的磷酸鐵鋰電池理論壽命將達到7～8 年。并且磷酸鐵鋰電池具備大電流放電能力，也可使用大電流2C 快速充放電，而鉛酸電池現在無此性能。

2.2 量產產品單位能量密度較高具備價格優勢

據報道，2018 年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在160Wh/kg 左右，2019 年一些優秀的電池廠家大概能做到175-180Wh/kg的水平，個別厲害的公司量產的磷酸鐵鋰電池單體能量密度最高已突破190Wh/kg，目前市場上已經有攻克磷酸鐵鋰電芯200wh/kg的高難度，并且磷酸鐵鋰體系還可繼續提升能量密度，隨著市場對未來電動船舶市場、儲能市場的看好，未來磷酸鐵鋰電池應用在電動船舶領域的比例增多的同時必然會在能量密度將迎來較大的發展，同時單位價格也會呈現下降趨勢。

2.3 綠色無污染的環保產品

磷酸鐵鋰電池一般不含任何重金屬與稀有金屬無毒無污染（由Societe Generale de Surveillance S.A.認證通過），且符合歐洲《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances) 規定，是絕佳的綠色環保電池。

3 磷酸鐵鋰電池在電動船舶中應用的主要船型

當前純電動船舶在觀光客船、景區畫舫、沿江沿海渡船、和內河貨船、港口拖船、江海聯運散貨船、集裝箱船等多種船型等船型均有應用，船型方面包含客船、渡船、旅游船、公務船、工程船、干散貨船、集裝箱船等多種船型。不過現階段超過5000 噸級的中大型船舶完全鋰電化難度依然較大。目前結合當前政府在船舶電動領域的推廣情況和內河、湖泊區域的環保要求來看，未來一段時間內船舶電動化尤其是純電動船將主要在內河水域、湖泊等相對封閉水域獲得較大發展，主要集中在沿江沿海城市渡船、觀光船、內河（湖）貨船、港口拖船等市場。且這些船舶噸位多集中在2000 噸以內的船舶類型。

圖1

4 純電動船舶行業法規與標準制定

2019 年中國海事局發布了《船舶與海上設施法定檢驗技術規則- 內河小型船舶檢驗技術規則》2019 年修改通報（以下簡稱“2019 修改通報”），該“修改通報”自2019 年9 月1 日起實施，該法規中增加了純電池動力電力推進船舶的附加要求章節，明確經中國船級社認可的磷酸鐵鋰電池可用于全船的動力源，事實上，磷酸鋰鐵電池是除酸性鉛板型或堿性鎳板型蓄電池外唯一被認可的船用能源鋰電池，“2019 修改通報”的實施為內河小型船舶純電力推動采用磷酸鐵鋰電池作為能源提供了可靠的法律依據和技術要求。

在技術規范標準方面，中國船級社（CCS）聯合寧德時代、億緯鋰能等國內主流電池生產企業，著手相關標準的制定完善。2019年12 月，CCS 正式發布《純電池動力船舶檢驗指南》（2019 年12月1 日生效），同時替代CCS《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》，這是國內首個專門針對純電動船舶的檢驗指南。較為遺憾的是CCS 發布的《純電池動力船舶檢驗指南》僅適用鋼質或鋁合金材料建造的船舶。這讓許多非金屬材質的景區游覽船、觀光船等小型船舶依然不能應用新型的磷酸鐵鋰電池作為船舶主動力。

結束語

相對傳統化石能源提供動力的船體船舶，純電動船舶具備更高的經濟性，一方面解決污染問題,另一方面還有著更低的噪音性能和舒適性，并且不會產生碳、硫等廢氣污染物，完全實現“零排放”的優點。純電動船舶的發展已是大勢所趨，未來在短距離運輸船、觀光船、輪渡船等船型上將迎來純電動船舶發展高峰。磷酸鐵鋰電池作為未來純電動船舶的能源核心，對比鉛酸電池，具有更好的安全性、更長的使用壽命，更好的高溫穩定性以及較低的成本，良好的能量密度以及體積方面的優勢，將當仁不讓的成為純電力推進船舶的首選能源。