磷酸鐵鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢①

劉蘭勝

(恒大新能源科技集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，能源危機(jī)逐漸加深，石油資源已表現(xiàn)出了供不應(yīng)求和價格高漲的現(xiàn)象[1]。因此，尋找一種低碳環(huán)保且價格適中的新能源已成為全球各國的迫切需求。隨著國內(nèi)外鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，材料和電池性能不斷突破，生產(chǎn)成本也逐步下降，推動了鋰電池市場呈現(xiàn)持續(xù)性增長趨勢，特別是以磷酸鐵鋰為代表的正極材料作為一種實(shí)用新型鋰電池，代表了鋰電池的重要發(fā)展方向[2]。近幾年，研究者們加大了對磷酸鐵鋰材料的開發(fā)，并將研究成果迅速轉(zhuǎn)化到相應(yīng)產(chǎn)品中。相關(guān)頭部企業(yè)相繼推出“刀片電池”“CTP”等新技術(shù)方案，在一定程度上擴(kuò)大了磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用空間，特別是在過去一年里供需格局得到了極大改善，相信未來磷酸鐵鋰市場占比將會越來越高[3]。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 磷酸鐵鋰電池組成與原理

所謂磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池[4]，這一類電池特點(diǎn)是不含貴金屬元素，在實(shí)際使用過程中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫、穩(wěn)定性強(qiáng)、循環(huán)次數(shù)高、價格便宜等優(yōu)勢。

如圖1所示，磷酸鐵鋰型鋰離子電池左側(cè)是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4右側(cè)為碳(石墨)，中間由一種特殊的復(fù)合膜隔開[5]。左側(cè)正極與鋁箔相連，右側(cè)負(fù)極與銅箔相連，電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6]

在對電池進(jìn)行充電時，正極上分解生成鋰離子，鋰離子通過電解質(zhì)進(jìn)入電池負(fù)極，嵌入負(fù)極碳層的微孔中，在電池使用過程中，嵌在負(fù)極微孔中的鋰離子又運(yùn)動回正極；回到正極的鋰離子越多，放電容量就越高，平時所指的電池容量就是放電容量[7]，這樣，在電池充放電過程中，鋰離子不斷地從正負(fù)極之間來回運(yùn)動，如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池工作原理[8]

2.1 磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用領(lǐng)域

鋰離子電池性能主要取決于正負(fù)極材料，磷酸鐵鋰作為正極材料推出時間較晚，但它具有安全性能高、循環(huán)壽命長、原材料來源廣泛、價格便宜等一系列優(yōu)勢[9]，受到行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的格外關(guān)注，相關(guān)研究成果和產(chǎn)品迅速得到應(yīng)用和推廣。

目前，國內(nèi)動力電池頭部企業(yè)以磷酸鐵鋰材料為正極的產(chǎn)品占30%以上，并且呈現(xiàn)快速增長的方式。特別是比亞迪(BYD)專注于磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，并將它們安裝在自己生產(chǎn)的乘用車和商用車產(chǎn)品上，其中純電動大巴車遠(yuǎn)銷歐美等發(fā)達(dá)國家。近段時間，寧德時代(CATL)將自己的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品供貨特斯拉，為行業(yè)帶來了較強(qiáng)的引領(lǐng)作用[10]。

動力電池作為新能源汽車的心臟[11]，不僅應(yīng)用在乘用車上，而且廣泛應(yīng)用在商用車、船舶等領(lǐng)域，特別是隨著大容量磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品的成熟應(yīng)用，在城市內(nèi)部短距離運(yùn)行的純電動公交車、環(huán)衛(wèi)車、物流運(yùn)輸車等大量出現(xiàn)。此外，磷酸鐵鋰電池在電動船舶、5G通信基站、儲能電站等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間，特別是儲能領(lǐng)域，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品占比在90%以上。

3 發(fā)展趨勢

3.1 磷酸鐵鋰電池在乘用車領(lǐng)域發(fā)展趨勢

一段時間以來，在國家政策引導(dǎo)下，三元鋰離子電池得到快速發(fā)展，并迅速在新能源動力電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。2019年以來，隨著國家補(bǔ)貼政策的調(diào)整，磷酸鐵鋰電池因其安全性能高、循環(huán)次數(shù)多、價格便宜等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外研究學(xué)者和企業(yè)青睞，新的研究成果迅速得到轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品能量密度和產(chǎn)品穩(wěn)定性得到很大提升，在乘用車動力電池市場占有率方面得到較大提升，2019年磷酸鐵鋰電池出貨量占動力電池總出貨量約28%，2020年這一數(shù)據(jù)已提升至40%左右[12]。進(jìn)入2021年，國家發(fā)布了最新的新能源汽車補(bǔ)貼政策，從國家政策層面來看，我國正逐步降低政策對新能源汽車行業(yè)的干預(yù)，轉(zhuǎn)而利用市場的自由競爭，推進(jìn)我國新能源事業(yè)的發(fā)展。2021年1-5月份，我國新能源汽車產(chǎn)銷分別為96.7萬輛和95萬輛，同比均增長約220%；特別是特斯拉Model 3、比亞迪漢、五菱宏光MINI EV等幾款爆款車型均搭載磷酸鐵鋰電池，大幅帶動了磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量。相關(guān)頭部企業(yè)也都在積極開展磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品新技術(shù)、新工藝、新材料等方面研發(fā)，推出了一些能量密度高且性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，也獲得了市場的認(rèn)可。例如，比亞迪(BYD)推出的“刀片電池”和寧德時代(CATL)的“CTP”方案，都已經(jīng)得到了成功推廣；此外，更為先進(jìn)的CTC方案，相關(guān)企業(yè)和研究者也在積極探索中，相信在不久的未來，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品將在動力電池中的占比越來越高，將迎來一個高速發(fā)展期。

3.2 磷酸鐵鋰電池在商用車領(lǐng)域發(fā)展趨勢

商用車一般體型較大，對動力電池體積和能量密度要求沒有乘用車高，但它們使用頻率高，運(yùn)營里程和時間相對固定，另外客車對安全性要求極高，而磷酸鐵鋰電池安全性能高，恰好與商用車匹配度很高，隨著大容量電池包的成功開發(fā)與應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池在城市公交車、環(huán)衛(wèi)車、景點(diǎn)游覽車等領(lǐng)域占比在70%以上。2017年、2018年新能源專用車磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量為2.15 GWh、2.75 GWh，同比增長28%，占比提升至42%。從新能源汽車推廣應(yīng)用車型目錄來看，2019年搭載純電動專用車已成為主流，2019年鐵鋰正極總產(chǎn)量約8.9萬t，同比增長52.4%，2019年新能源動力電池裝機(jī)量約62.38 GWh，同比增長47%，其中，磷酸鐵鋰動力電池裝機(jī)量約20.8 GWh，占總裝機(jī)量32%左右。受益于磷酸鐵鋰電池帶來的成本下降與競爭力提升，2020年磷酸鐵鋰電池市場規(guī)模約210億，同比增長75%，2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到260億，同比增長24%，市場占有率將持續(xù)提升。

3.3 磷酸鐵鋰電池在5G通信領(lǐng)域發(fā)展趨勢

當(dāng)前，5G通信基站已成為最熱門的“新基建”之一，各大運(yùn)營商都在進(jìn)行5G通信基站建設(shè)。截至目前，我國5G基站已累計(jì)建成超過72萬個，約占全球總數(shù)的70%，其中中國移動已建成5G基站約41萬個，占國內(nèi)5G基站總數(shù)的50%以上。但5G基站的運(yùn)營也面臨一個巨大的挑戰(zhàn)，5G基站的功耗遠(yuǎn)大于4G基站，需對電源系統(tǒng)擴(kuò)容，也就意味著所有5G基站的開關(guān)電源、蓄電池、電源線等必須更新，才能確保5G基站的電力供給，磷酸鐵鋰電池是目前最優(yōu)的選擇。目前，運(yùn)營商的招標(biāo)也以磷酸鐵鋰電池為主，2019年磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品在5G通信領(lǐng)域出貨量約11.6 GWh，預(yù)計(jì)2019—2025年5G通信基站對磷酸鐵鋰電池總需求量在155.4 GWh左右。

3.4 磷酸鐵鋰電池在船舶領(lǐng)域發(fā)展趨勢

電動船舶的優(yōu)勢是不存在空氣和水域污染，在電動化的浪潮下，電動船舶的發(fā)展也在加速進(jìn)行。電動船舶對電池性能要求側(cè)重點(diǎn)與電動汽車不同，電動船舶對電池性能要求高于新能源汽車電池，因?yàn)殡妱哟皫щ娏看螅坏┌l(fā)生起火爆炸，乘客將更加難以逃生。所有電動船舶動力電池都必須經(jīng)過中國船級社(CCS)認(rèn)證，目前，通過CCS認(rèn)證的船舶動力電池只有方形磷酸鐵鋰電池，這是因?yàn)榱姿徼F鋰電池具有高安全性、低成本等優(yōu)勢，特別是磷酸鐵鋰動力電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)步和成熟，充放電倍率大幅提升，使電動船舶的加速性能和操控性更好，磷酸鐵鋰電池才具備了在電動船舶上推廣應(yīng)用的技術(shù)條件。隨著國家對環(huán)保的重視和磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步，相信未來電動船舶將進(jìn)入高速發(fā)展階段。

4 結(jié)論

隨著全球環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，我國在75屆聯(lián)合國大會上提出在2030年前將實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。新能源將是未來發(fā)展的熱點(diǎn)，而磷酸鐵鋰電池自身具備的一些優(yōu)勢，使得其在多元化市場應(yīng)用中發(fā)揮更大空間，尤其在新能源汽車、5G通信基站、電動船舶等領(lǐng)域，隨著“刀片電池”“CTP”-“CTC”等新技術(shù)、新方案推廣和應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品將成為新能源發(fā)展的熱點(diǎn)之一。將來，磷酸鐵鋰電池在新能源動力電池的占比將越來越高，特別隨著新技術(shù)、新工藝應(yīng)用推廣和安全性、能量密度的提高，磷酸鐵鋰型電池將在動力電池中占據(jù)主導(dǎo)地位。