磷酸铁锂电池在轻型电动车市场应用难点分析

导 读

磷酸铁锂电池以其低成本、长寿命、高安全性的特点而著称，在轻型电动车市场获得了规模化的应用，但是它的缺点也制约着未来的发展前景。

一、磷酸铁锂电池的优缺点

在锂电池商业化应用的三十多年以来，形成了钴酸锂、锰酸锂、三元锂、磷酸铁锂等几种不同的正极材料发展路线，在不同的市场和领域各领风骚。

磷酸铁锂电池在新能源汽车、储能、通信、轻型电动车等市场均取得了大规模的应用，随着成本的下降和性能的提升，未来的发展前景非常广阔。

磷酸铁锂电池有以下几个突出的优点：

1、不含钴、镍等贵金属，制备工艺简单，成本相对低廉

2、循环寿命较长，部分高端产品可达到6000次以上的循环寿命

3、材料热稳定性好，安全性能相对比较突出

4、国内产业链成熟，产能大，产品型号丰富

正是因为以上几个优点，磷酸铁锂电池在许多细分领域都获得了广泛的应用，推动了产业发展和科技进步。

在轻型电动车市场，随着锂电化程度的不断提高，磷酸铁锂电池的装机量也不断提升，但是磷酸铁锂电池的固有缺点，对磷酸铁锂电池市场份额的扩大有一定的负面影响。

两轮、三轮以及低速四轮的轻型电动车产品，并不追求高能量密度和大倍率的充放电性能，所以磷酸铁锂电池在能量密度以及充放电方倍率方面的缺点并不是制约因素，问题主要集中在放电电压曲线较为平直以及低温充放电性能不佳这两个方面。

二、平直的充放电电压曲线

众所周知，磷酸铁锂电池的充放电电压曲线较为平直，为了减少充放电电流和内阻对电压曲线的影响，我们以OCV（开路电压）曲线作为参考，来简单分析一下。

蓝色曲线为钴酸锂，红色曲线为磷酸铁锂，从图中可以看出，钴酸锂的OCV曲线有一定的斜率，而磷酸铁锂的OCV曲线基本是平直的（不考虑末端跳水），在5%~90%这段SOC区间内，磷酸铁锂电池的开路电压（OCV）基本集中在3.2~3.3V之间。

这个问题，对充电影响不大，充电基本都是盲充，到3.6~3.65V进行保护，停止充电。但是对放电影响非常大，主要是影响SOC的估算精度。

在新能源汽车，储能等领域使用磷酸铁锂电池，为了提高SOC计算精度，一般采用高性能的芯片，通过采集电流，进行安时积分，用软件程序来计算SOC，再通过充电末端保护来进行SOC修正，以达到较高的精度。

但是这种方法很难大规模应用到轻型电动车产品，主要原因是成本太高，一块带SOC计算功能的软件BMS，成本至少要一百元以上，这对成本非常敏感的轻型电动车而言，有些难以承受。

以4812/4815等产品为例，终端售价只有四五百元左右，无法承受高出来的几十元，甚至上百元成本。

目前，主要在两轮电动车换电和高端电摩等对成本相对不太敏感的细分市场，采用软件BMS，而在民用级产品里面，仍然采用硬件保护板的方案，根据电池电压来判断SOC（电量），导致误差非常大，会突然跳变，用户体验很不好。

三、低温充放电性能不佳

因为材料特性，磷酸铁锂的电子电导率和离子扩散速度都比较低，导致其充放电性能不佳，这个缺点在低温下表现得更为明显。

一些没有经过低温设计优化的磷酸铁锂电池，在零度以下很难充电，在-20℃以下很难有效放电。

即使一些经过简单设计优化的磷酸铁锂电池，低温性能也不佳，一般在-10℃的环境温度下，可逆的充放电容量只有常温下的60%左右。

这个缺点，导致磷酸铁锂电池在冬季容易缩水，极度影响用户体验。在新能源汽车领域，以北京等华北地区为例，使用磷酸铁锂电池的车型，冬季的续航里程只有夏季的一半，以至于电动车得了一个“电动爹”的外号。

到了东北、西北等地区，磷酸铁锂电池很难扛住冬天极低的气温，毕竟我们不能为轻型电动车产品装配高性能的热管理系统，只能靠电池自身的体质来承受极低气温的考验。

近年来，针对磷酸铁锂电池低温性能改善的研究取得了非常明显的进步，通过对正极材料的表面碳包覆和离子掺杂、增加碳纳米管/石墨烯作为导电剂、电解液的锂盐材料优化和添加耐低温的添加剂，以及针对负极石墨材料的无定型碳包覆等，都能在一定程度上改善磷酸铁锂电池的低温性能，可以保证磷酸铁锂电池在-30℃的温度下，仍能有效的充放电，可逆容量能够达到常温下的80%。

但是，这些改进在明显改善低温性能的同时，必然带来成本的增加，这就像坐跷跷板，这一头下来了，那一头又起来了。

这是一个很难平衡的事情，成本是磷酸铁锂电池最大的竞争优势，如果丧失了成本优势，即使性能提升了，也是得不偿失的。

四、总结

没有完美的技术和产品，磷酸铁锂电池有其突出的优点，较好的平衡了成本、寿命和安全性，但是平直的放电电压曲线以及低温性能不佳，又给它的规模化应用带来了一定的困难。

但是笔者相信，通过众多企业的努力，这些难题一定能够得到有效的解决，让磷酸铁锂电池在轻型电动车市场占据重要的地位。