Tesla Motors 為什麼不使用以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池? | 知乎問答精選

 

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Tesla Motors 為什麼不使用以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池?

2019年04月21日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 1 ℃ 次

【弗雷劉的回答(88票)】:

謝邀。作為在一個研究所工作的工程師狗,終於有機會在自己的領域JJWW了。

首先糾正一個概念,「鋰電」是我們一般說的「鋰離子電池」的簡稱,而你所說的「鐵電」,其實是使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池,它是「鋰電」的一種。

OK,現在開始回答,先說簡單版通俗型摘要

特斯拉使用的松下18650鋰電池,以NCA為正極,並且設計了複雜的電池管理系統,從而盡可能保證和提高了電池工作的高效性與安全性。至於是否絕對的安全,這個無法回答,你如果想說自燃,我還想說汽油車夏天也自燃呢。

對於純電動汽車(不考慮插電混動以及純混,人家可以靠汽油開掛),我們最最糾結的是什麼?里程焦慮,就是開不遠,因為電池的能存儲的能量密度太低,車用電池成組後現在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的這個數值大概是10000…所以哪怕你像烏龜一樣背一車電池都不見得解決問題。大家天天吐槽電動汽車天天充電跑不遠半路沒電了怎麼辦,都是能量密度太低給害的。

現在電池技術的最大短板,就是能量密度太低,落後於摩爾定律無窮遠。。。。。。別扯那些鋰空什麼的,即使它們能量密度也不夠高,關鍵是離實用還遠。。。。

所以至於為什麼不採用磷酸鐵鋰電池,我想說,主要原因,應該是容量(Capacity單位是Ah)-以及能量(Energy,即容量的Ah乘以電壓,得到Wh)偏低(磷酸鐵鋰容量比三元低一點,電壓還低,只有3.4V,所以乘出來的能量就更低了)。實際的汽車用電池組都是串並聯組合出來的,需要用串聯來提高電壓,此時,單節單池的電壓以及不同電池之間的容量一致性顯得非常重要,光說容量低是不嚴謹的

本人的工作就是在國內某研究所做磷酸鐵鋰的某升級產品的研發,還同時亂看一些其它材料,鋰電池和電動汽車的東西,所以在這裡胡扯一下~~~~現在開始華麗地半學術地展開斯米達~~~

---------------------------------------------------我是華麗的分割線------------------------------------------------

要對比幾種正極材料,我們就必須引入這個圖,即五個重要性能判據:

Power功率,Life壽命,Cost成本,Safety安全,以及Energy能量

對比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA,LCO鈷酸鋰,LFP磷酸鐵鋰,LMO錳酸鋰。NCA和NCM比較相近,算是材料中的近親,因此在這裡歸為一類說。

LCO = LiCoO2 ,layered, NMC = LiNixMnyCozO2 ,layered, NCA = LiNi1-y-zCoyAlzO2 , layered, LMO = LiMn2O4 spinel, LFP = LiFePO4 olivine

從這個圖中,我們可以看出:

LFP材料

Energy能量最低(悲劇,容量低是一方面,3.4V的低電壓才是問題,反面例子就是鎳錳酸鋰尖晶石,電壓4.7V)。篇幅所限,就不在這裡放充放電曲線了。

Power功率一點也不低(在鄙研究所自製的中試級磷酸鐵鋰,5C可以做到130mAh/g滴(當然PHOSTECH的也可以。。。)。包碳+納米化材料倍率性能還是很強大的!)。

Life壽命和Safety安全性最優,這主要得益於該材料中聚陰離子PO43-的結合作用,使得氧結合的更好,與電解液的反應活性低,不像三元材料那樣更容易出現一些產生氧氣鼓泡等現象。壽命上,一般認為可以>4000次循環。

Cost成本,磷酸鐵鋰還不錯,成本上僅次於LMO錳酸鋰材料(這個東西,空氣燒,錳源又便宜),第二有競爭力。磷酸鐵鋰的原料,磷鐵鋰都比較便宜,但是做成納米粉需要一些成本,熱處理又要在惰性氣氛下進行,種種工藝要求,導致該材料的成本(國產的大約10W/t)不像LMO那麼低(6~7W/t),但是比起NMC(13W/t),LCO(更貴)還是便宜一些的。

原因:鈷比鎳貴(我國貧鈷啊有沒有),鎳比錳鐵要貴,用什麼原料,有什麼成本。

然後再對比分析以下NCM/NCA材料

能量最有優勢(電動汽車就想跑遠點,這個最重要)。此外隨著高鎳NCM材料的研發推出,這個材料的能量密度還能有進一步的提升

功率還可以(其實也夠用了,對於純電動汽車,能量比功率特性更為重要,對於豐田Prius這種混動車,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)

壽命,也不錯。之前的時候,三元材料可能壽命在1000次左右,但是近幾年來隨研發工作的進展,該材料的壽命已經可以達到2000周(好像標準是還能保持80%還是多少,記不清了),這就已經很可觀了,比如你電動汽車,一天一充,一年365次,2000次夠你6年了,好多人這時都打算換車啦。

成本有點高(先承認這點),畢竟用了些鎳鈷金屬,成本高點正常,但是這個材料至少比LCO鈷酸鋰便宜,所以以後在日常電子消費品領域,取代LCO材料還是比較有前途的。

安全差(回應Arthur Wang的意見),尤其是相對於磷酸鐵鋰而言,NCM/NCA材料充電時會往外冒氧氣~~~,使用中出事的可能性也高於LFP材料,三元材料電池安全性一直存在一些問題

但是說到這裡,電池裡不只有正極材料,我們還可以通過電解液成分調節,隔膜優化(陶瓷隔膜神馬)以及優化電池控制系統(冷卻,安全防護)來減輕這個問題。雖然NCM/NCA材料的安全性一直算是個問題,但是還是有提高的空間和解決的辦法的。說能完全解決安全問題的,我認為都是在耍流氓。電池控制系統,是盡可能提高安全度,不可能保證100%安全。

所以在此對比一下這兩個材料,最重要的能量密度上NCM/NCA完勝,壽命上NCM/NCA不差,安全上NCM/NCA差些,但是不嚴重,功率不算太重要,兩者都不錯,成本上NCM/NCA高一點。

但是在這裡注意了:成本上NCM/NCA高,是單位質量的成本(rmb/kg)。考慮到單位質量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成單位能量的成本的話(rmb/Wh),NCM/NCA還更有優勢一些,所以從單位材料的成本來單純計算,結果可能是比較有欺騙性的。

說到這裡,我忍不住要吐槽:你們天天嫌電動車貴,就是因為電池用的多,就是因為單位能量的成本(rmb/Wh)這個數太高,其實真的很難降啊,我們都快喝西北風了啊啊啊啊

另外一點,就是磷酸鐵鋰放電平台太平,不好做電池控制系統啊,NCM/NCA這方面就要好些。

不過作為一名磷酸鐵鋰研究狗,我也得為我們的材料說幾句話:在追求安全性、倍率性的場合,磷酸鐵鋰電池還是有優勢的,尤其是請天天吵著電動車、電池不安全的人多為我們磷酸鐵鋰投票~。此外磷酸鐵鋰不需要用鎳鈷這些玩意,對於國家資源安全是有所幫助的(好吧,其實也用不太多,不過這產業一旦大了用量也可觀);還有,磷酸鐵鋰材料畢竟壽命還是最好的,所以在某些要求時間的場合,它有優勢(比如有的電池便宜,但是壽命可能只是磷酸鐵鋰的一半不到,折合使用時間後成本就不一樣了,我才不告訴你是LMO呢,大家要學會算賬。在一些能量密度要求不是特別高的場合,磷酸鐵鋰還是有優勢的,比如儲能等新領域。當然,如果你對高電壓磷酸錳鐵鋰材料有興趣的話,我只想說四個字:請聯繫我~

所以,說來說去,為了讓純電動汽車跑的更遠,能量密度更高的電池更受青睞。

謝謝大家思密達~

參考文獻:The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the NextPhase. Adv. Energy Mater. 2012,DOI: 10.1002/aenm.201200028

【空靈的回答(6票)】:

謝邀!首先搞清楚鋰電池概念後再來討論這個安全問題:

你說的鋰電應該是指鋰離子電池,目前手機、特斯拉的汽車、平板電腦、筆記本電腦採用鋰電的電動車都是指鋰離子電池。另外有一種電池叫做鋰電池(大部分是鋰原電池(不可充電),也有可充電的鋰電池),一般是做成比較小的電池,比如電腦主板上的電池(不要說主板沒電池哦,如果沒電池,斷電的時候不就變成老式諾基亞了麼,一斷電,時間歸零)、手機主板的電池等等(這類電池的主要供應商應該是億緯鋰能了)。

鋰離子電池一般以正極材料作為區分(因為負極大部分採用碳材料(沒錯就是傳說中的碳啊,家裡燒火的碳啊,哈哈,不過石墨也是碳,鑽石也是碳哦),目前手機上用的一般是鈷酸鋰(LiCoO2)和三元(LiNixCoyMnzO2)即鎳鈷錳酸鋰正極材料(x,y,z表示不同的化學計量比,外行可忽略),磷酸鐵鋰電池也叫鋰電池(不過BYD就喜歡叫自己的磷酸鐵鋰電池叫做鐵電池,這麼做是為了規避磷酸鐵鋰的專利問題),所以樓主問的鐵電池是指磷酸鐵鋰的電池吧。

這樣樓主的問題就翻譯為:

1.特斯拉採用的鋰離子電池是否安全?為什麼不採用磷酸鐵鋰電池;

2.常規的鋰離子電池(比如特斯拉採用的)和磷酸鐵鋰電池哪個更安全?

OK,開始回答你的問題啦。

————————————————————————————————————————————傳說中的分割線啊

特斯拉採用的鋰離子電池是不安全的(此處說的安全是相對安全,電池是一種儲能裝置,炸藥也是儲能裝置,三峽大壩也是儲能裝置,儲能裝置一旦失控,是絕對不安全的,所以我們儲能裝置本身沒有絕對安全的說法。我們討論的是相對安全,相對於磷酸鐵鋰電池來說)。特斯拉的電池採用的是二元材料(LiNixCoyAlzO2), 咦???不是鎳鈷鋁麼,怎麼是二元了呢?因為鋁的作用只是穩定結構而已,不參加化學反應,所以我們忽略它了,它應該不會怪我們的,畢竟沒出力嘛,哈哈。

不管是鈷酸鋰還好,三元(二元)也罷,結構都不是很穩定的,在180℃時都會釋放處氧氣,氧氣導致更加的不穩定,這個是噁心(惡性)循環,真的很噁心的。更多的氧氣導致更加低的起火溫度。然後呼呼,就火起來啦,然後就沒有然後拉。

磷酸鐵鋰是比較穩定的,目前數據表明在350℃以下是肯定穩定的,350℃以上沒什麼人研究,因為350℃耶,電解液都火了,正極穩定有個毛用啊。所以磷酸鐵鋰電池肯定是比特斯拉採用的鋰電池要安全的。

(PS.特斯拉對於電池安全採用的態度是更多的冗余,電池不安全,我就設計更多的保障措施唄,典型的硅谷做法嘛)

為什麼不採用磷酸鐵鋰電池後面再補充吧。

弗雷劉說的不錯,我就不補充啦!

特斯拉之所以不用二元材料NCA的電池不是因為安全,而是體驗,NCA有更高的能量密度,所以里程可以更大特斯拉的跑車充一次電里程好像是450公里,同樣的純電動汽車,比亞迪E6(採用磷酸鐵鋰電池哦)的續航里程才200多公里而已。這就是兩者體驗的差異。有人說這樣啊,那不就多裝點電池就可以啦,又是一個噁心的循環,多裝電池了汽車就重了,重了就要更多的電來消耗啦。

【jinseng的回答(1票)】:

回答這個問題首先要搞清TESLA用的是什麼電池吧!Tesla Model S用的是18650規格的鎳鈷鋁三元材料電池,早先Roadster用的是18650規格的鈷酸鋰電池,也就是手機、筆記本上常用的、還經常發生爆炸事故的那種電池。

就電池本身來說,Tesla所用的電池根本就不比比亞迪的磷酸鐵鋰電池更安全。在各位忙著嘲諷比亞迪的時候,不要忘了三菱、湯淺用的也是傳說中的「鐵電池」。磷酸鐵鋰電池的基礎專利掌握在德州大學的手裡,而A123 system公司以及加拿大、台灣公司掌握的是磷酸鐵鋰正極材料的製造技術,就連索尼也握有磷酸鐵鋰正極材料的專利。比亞迪磷酸鐵鋰方面的專利申請在國內排名第二,僅次於索尼。

磷酸鐵鋰的缺點是能量密度稍差,低溫性能較差,但安全性能、放電性能、高溫性能遠比鈷酸鋰、錳酸鋰要好得多。磷酸鐵鋰低溫性能較差的問題,目前已基本解決,現在亟待解決的是能量密度問題。

Tesla所謂的「相對安全」,不過是採用了更多冗余設計而已。以三菱、日產、比亞迪為代表的電動車屬於經濟性車型,由於成本的限制,不可能採用Tesla那樣的冗余設計。

至於為什麼Tesla不採用磷酸鐵鋰電池,其原因無非是Tesla主要追求的是能量密度,而磷酸鐵鋰因為較低的能量密度所以入不了Tesla的法眼。至於電池成本並不是Tesla首要考慮的問題。

但是如果電池技術取得突破,電動車真正普及的時候,需要使用貴金屬、稀有金屬原料的鎳鈷材料電池並不是很好的選擇。

【郭柯華的回答(1票)】:

問這個問題就好像問燃油汽車的油箱會不會爆炸一樣。

【李方圓的回答(0票)】:

謝邀。1.鐵鋰能量密度不如三元;2.鐵鋰高溫性能不如三元;3.鐵鋰倍率放電不如三元;4.鐵鋰成本高於三元。但鐵鋰安全性和循環好於三元。綜合比較,各家技術方案和技術趨勢不同,選的鋰電化學體系不完全一樣。各家有各家想法。

【文森的回答(0票)】:

對@空靈靈 說鋰離子電池負極就是碳,其他負極材料有話要說啊!!沒錯現在商業應用成熟的負極材料就是石墨(碳材料的一種),可是他具有比容量低(370mAhg)(許多在研的新型負極材料例如Si基材料容量可是其數倍之多,but其循環壽命等等還需要改善),充放電電壓低(接近鋰金屬負極的電壓)所以安全性要差,鋰鈦氧的電壓平台就高一點所以安全性要高很多不過這份安全感是犧牲了一定能量了的,所以負極材料也是充滿挑戰並不就真只有碳啦!

【知乎用戶的回答(0票)】:

比亞迪的電池技術還是不錯的,國內銷售的電動車可能出於成本原因,使用了B品~Tesla沒有電池技術,只是使用了互聯網思維做汽車,核心技術只能呵呵了,期待相關大牛理性分析一下。

【ArthurWang的回答(0票)】:

磷酸鐵鋰安全性高,但是現在的容量略低,沒有將潛力完全挖掘出來。而且技術並不是很成熟,普遍採用的疊片式包裝一致性也略差。要知道特斯拉用了7000節18650,如果換成磷酸鐵鋰。。不用7000,只要700個磷酸鐵鋰,就沒法保證壽命了。

【蘇傑的回答(1票)】:

鐵電池是byd誤導各位的叫法,依然應該叫鐵鋰合適.

正題!直接對比材料的安全性在實際使用中是不公平的,理論上三元鋰和錳鋰安全性是不如磷酸鐵鋰,3.7v對3.2v的標稱電壓,可見活躍性的區別。

但是特斯拉所用的松下18650(業內普遍認同no.1)和其自身秒殺行業的管理系統,自然安全性遠超比x迪的b品「鐵電池」.

我是不會告訴你們我們自己的鐵鋰只賣國內,出口都是錳鋰的。

近些年業內也開始反省鐵鋰一條路走到黑是否合適。行業客戶也逐漸開始接受LG等企業的錳鋰產品。別問為什麼松下no.1還是沒人理,價格是一方面,還有那莫名其妙的感情你懂的。

最後注意一點,最近國內放衛星的太多,老看到有產品宣傳莫名高的倍率、溫度、比能量等性能,大有超美趕日之勢。看過呵呵即可。

標籤:-電池 -鋰電池 -電動汽車 -TeslaMotors


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