磷酸鐵鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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(jià)格高漲的現(xiàn)象[1]。因此，尋找一種低碳環(huán)保且價(jià)格適中的新能源已成為全球各國(guó)的迫切需求。隨著國(guó)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(dòng)了鋰電池市場(chǎng)呈現(xiàn)持續(xù)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(duì)磷酸鐵鋰材料的開(kāi)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(guò)去一年里供需格局得到了極大改善，相信未來(lái)磷酸鐵鋰市場(chǎng)占比將會(huì)越來(lái)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(lèi)電池特點(diǎn)是不含貴金屬元素，在實(shí)際使用過(guò)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(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。

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(kāi)[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(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，正極上分解生成鋰離子，鋰離子通過(guò)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(guò)程中，嵌在負(fù)極微孔中的鋰離子又運(yùn)動(dòng)回正極；回到正極的鋰離子越多，放電容量就越高，平時(shí)所指的電池容量就是放電容量[7]，這樣，在電池充放電過(guò)程中，鋰離子不斷地從正負(fù)極之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，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(shí)間較晚，但它具有安全性能高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、原材料來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜等一系列優(yōu)勢(shì)[9]，受到行業(yè)內(nèi)專(zhuān)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(guó)內(nèi)動(dòng)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(zhǎng)的方式。特別是比亞迪(BYD)專(zhuān)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(chē)和商用車(chē)產(chǎn)品上，其中純電動(dòng)大巴車(chē)遠(yuǎn)銷(xiāo)歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。近段時(shí)間，寧德時(shí)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(lái)了較強(qiáng)的引領(lǐng)作用[10]。

動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的心臟[11]，不僅應(yīng)用在乘用車(chē)上，而且廣泛應(yīng)用在商用車(chē)、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(dòng)公交車(chē)、環(huán)衛(wèi)車(chē)、物流運(yùn)輸車(chē)等大量出現(xiàn)。此外，磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)船舶、5G通信基站、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間，特別是儲(chǔ)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(shì)

3.1 磷酸鐵鋰電池在乘用車(chē)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

一段時(shí)間以來(lái)，在國(guó)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(dòng)力電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。2019年以來(lái)，隨著國(guó)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(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)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(chē)動(dòng)力電池市場(chǎng)占有率方面得到較大提升，2019年磷酸鐵鋰電池出貨量占動(dòng)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(guó)家發(fā)布了最新的新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策，從國(guó)家政策層面來(lái)看，我國(guó)正逐步降低政策對(duì)新能源汽車(chē)行業(yè)的干預(yù)，轉(zhuǎn)而利用市場(chǎng)的自由競(jìng)爭(zhēng)，推進(jìn)我國(guó)新能源事業(yè)的發(fā)展。2021年1-5月份，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別為96.7萬(wàn)輛和95萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)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(chē)型均搭載磷酸鐵鋰電池，大幅帶動(dòng)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(kāi)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(chǎng)的認(rèn)可。例如，比亞迪(BYD)推出的“刀片電池”和寧德時(shí)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(lái)，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品將在動(dòng)力電池中的占比越來(lái)越高，將迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展期。

3.2 磷酸鐵鋰電池在商用車(chē)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

商用車(chē)一般體型較大，對(duì)動(dòng)力電池體積和能量密度要求沒(méi)有乘用車(chē)高，但它們使用頻率高，運(yùn)營(yíng)里程和時(shí)間相對(duì)固定，另外客車(chē)對(duì)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(chē)匹配度很高，隨著大容量電池包的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池在城市公交車(chē)、環(huán)衛(wèi)車(chē)、景點(diǎn)游覽車(chē)等領(lǐng)域占比在70%以上。2017年、2018年新能源專(zhuān)用車(chē)磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量為2.15 GWh、2.75 GWh，同比增長(zhǎng)28%，占比提升至42%。從新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用車(chē)型目錄來(lái)看，2019年搭載純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)已成為主流，2019年鐵鋰正極總產(chǎn)量約8.9萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)52.4%，2019年新能源動(dòng)力電池裝機(jī)量約62.38 GWh，同比增長(zhǎng)47%，其中，磷酸鐵鋰動(dòng)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(lái)的成本下降與競(jìng)爭(zhēng)力提升，2020年磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)規(guī)模約210億，同比增長(zhǎng)75%，2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到260億，同比增長(zhǎng)24%，市場(chǎng)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(shì)

當(dāng)前，5G通信基站已成為最熱門(mén)的“新基建”之一，各大運(yùn)營(yíng)商都在進(jìn)行5G通信基站建設(shè)。截至目前，我國(guó)5G基站已累計(jì)建成超過(guò)72萬(wàn)個(gè)，約占全球總數(shù)的70%，其中中國(guó)移動(dòng)已建成5G基站約41萬(wàn)個(gè)，占國(guó)內(nèi)5G基站總數(shù)的50%以上。但5G基站的運(yùn)營(yíng)也面臨一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，5G基站的功耗遠(yuǎn)大于4G基站，需對(duì)電源系統(tǒng)擴(kuò)容，也就意味著所有5G基站的開(kāi)關(guān)電源、蓄電池、電源線(xiàn)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(yíng)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(duì)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(shì)

電動(dòng)船舶的優(yōu)勢(shì)是不存在空氣和水域污染，在電動(dòng)化的浪潮下，電動(dòng)船舶的發(fā)展也在加速進(jìn)行。電動(dòng)船舶對(duì)電池性能要求側(cè)重點(diǎn)與電動(dòng)汽車(chē)不同，電動(dòng)船舶對(duì)電池性能要求高于新能源汽車(chē)電池，因?yàn)殡妱?dòng)船舶帶電量大，一旦發(fā)生起火爆炸，乘客將更加難以逃生。所有電動(dòng)船舶動(dòng)力電池都必須經(jīng)過(guò)中國(guó)船級(jí)社(CCS)認(rèn)證，目前，通過(guò)CCS認(rèn)證的船舶動(dòng)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(shì)，特別是磷酸鐵鋰動(dòng)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(dòng)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(dòng)船舶上推廣應(yīng)用的技術(shù)條件。隨著國(guó)家對(duì)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(lái)電動(dòng)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(shí)的不斷加強(qiáng)，我國(guó)在75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)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(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)，而磷酸鐵鋰電池自身具備的一些優(yōu)勢(shì)，使得其在多元化市場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)揮更大空間，尤其在新能源汽車(chē)、5G通信基站、電動(dòng)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(lái)，磷酸鐵鋰電池在新能源動(dòng)力電池的占比將越來(lái)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(dòng)力電池中占據(jù)主導(dǎo)地位。