Tesla Motors 为什么不使用以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池?

锂电和铁电谁更安全呢?
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谢邀。作为在一个研究所工作的工程师狗,终于有机会在自己的领域JJWW了。


首先纠正一个概念,“锂电”是我们一般说的“锂离子电池”的简称,而你所说的“铁电”,其实是使用磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池,它是“锂电”的一种。


OK,现在开始回答,先说简单版通俗型摘要

特斯拉使用的松下18650锂电池,以NCA为正极,并且设计了复杂的电池管理系统,从而尽可能保证和提高了电池工作的高效性与安全性。至于是否绝对的安全,这个无法回答,你如果想说自燃,我还想说汽油车夏天也自燃呢。

对于纯电动汽车(不考虑插电混动以及纯混,人家可以靠汽油开挂),我们最最纠结的是什么?里程焦虑,就是开不远,因为电池的能存储的能量密度太低,车用电池成组后现在一般也就100~150Wh/kg的能量密度,汽油的这个数值大概是10000…所以哪怕你像乌龟一样背一车电池都不见得解决问题。大家天天吐槽电动汽车天天充电跑不远半路没电了怎么办,都是能量密度太低给害的。

现在电池技术的最大短板,就是能量密度太低,落后于摩尔定律无穷远。。。。。。别扯那些锂空什么的,即使它们能量密度也不够高,关键是离实用还远。。。。

所以至于为什么不采用磷酸铁锂电池,我想说,主要原因,应该是容量(Capacity单位是Ah)-以及能量(Energy,即容量的Ah乘以电压,得到Wh)偏低(磷酸铁锂容量比三元低一点,电压还低,只有3.4V,所以乘出来的能量就更低了)。实际的汽车用电池组都是串并联组合出来的,需要用串联来提高电压,此时,单节单池的电压以及不同电池之间的容量一致性显得非常重要,光说容量低是不严谨的

本人的工作就是在国内某研究所做磷酸铁锂的某升级产品的研发,还同时乱看一些其它材料,锂电池和电动汽车的东西,所以在这里胡扯一下~~~~现在开始华丽地半学术地展开斯米达~~~

---------------------------------------------------我是华丽的分割线------------------------------------------------

要对比几种正极材料,我们就必须引入这个图,即五个重要性能判据:


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

对比的材料是NMC/NCA三元材料/NCA,LCO钴酸锂,LFP磷酸铁锂,LMO锰酸锂。NCA和NCM比较相近,算是材料中的近亲,因此在这里归为一类说。

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

从这个图中,我们可以看出:

LFP材料

Energy能量最低(悲剧,容量低是一方面,3.4V的低电压才是问题,反面例子就是镍锰酸锂尖晶石,电压4.7V)。篇幅所限,就不在这里放充放电曲线了。

Power功率一点也不低(在鄙研究所自制的中试级磷酸铁锂,5C可以做到130mAh/g滴(当然PHOSTECH的也可以。。。)。包碳+纳米化材料倍率性能还是很强大的!)。

Life寿命和Safety安全性最优,这主要得益于该材料中聚阴离子PO43-

的结合作用,使得氧结合的更好,与电解液的反应活性低,不像三元材料那样更容易出现一些产生氧气鼓泡等现象。寿命上,一般认为可以>4000次循环。

Cost成本,磷酸铁锂还不错,成本上仅次于LMO锰酸锂材料(这个东西,空气烧,锰源又便宜),第二有竞争力。磷酸铁锂的原料,磷铁锂都比较便宜,但是做成纳米粉需要一些成本,热处理又要在惰性气氛下进行,种种工艺要求,导致该材料的成本(国产的大约10W/t)不像LMO那么低(6~7W/t),但是比起NMC(13W/t),LCO(更贵)还是便宜一些的。

原因:钴比镍贵(我国贫钴啊有没有),镍比锰铁要贵,用什么原料,有什么成本。


然后再对比分析以下NCM/NCA材料


能量最有优势(电动汽车就想跑远点,这个最重要)。此外随着高镍NCM材料的研发推出,这个材料的能量密度还能有进一步的提升

功率还可以(其实也够用了,对于纯电动汽车,能量比功率特性更为重要,对于丰田Prius这种混动车,功率特性才更重要,但前提是能量不能太挫)

寿命,也不错。之前的时候,三元材料可能寿命在1000次左右,但是近几年来随研发工作的进展,该材料的寿命已经可以达到2000周(好像标准是还能保持80%还是多少,记不清了),这就已经很可观了,比如你电动汽车,一天一充,一年365次,2000次够你6年了,好多人这时都打算换车啦。

成本有点高(先承认这点),毕竟用了些镍钴金属,成本高点正常,但是这个材料至少比LCO钴酸锂便宜,所以以后在日常电子消费品领域,取代LCO材料还是比较有前途的。

安全差(回应Arthur Wang的意见),尤其是相对于磷酸铁锂而言,NCM/NCA材料充电时会往外冒氧气~~~,使用中出事的可能性也高于LFP材料,三元材料电池安全性一直存在一些问题

但是说到这里,电池里不只有正极材料,我们还可以通过电解液成分调节,隔膜优化(陶瓷隔膜神马)以及优化电池控制系统(冷却,安全防护)来减轻这个问题。虽然NCM/NCA材料的安全性一直算是个问题,但是还是有提高的空间和解决的办法的。说能完全解决安全问题的,我认为都是在耍流氓。电池控制系统,是尽可能提高安全度,不可能保证100%安全。


所以在此对比一下这两个材料,最重要的能量密度上NCM/NCA完胜,寿命上NCM/NCA不差,安全上NCM/NCA差些,但是不严重,功率不算太重要,两者都不错,成本上NCM/NCA高一点。


但是在这里注意了:成本上NCM/NCA高,是单位质量的成本 (rmb/kg)。考虑到单位质量的NCM/NCA能量密度高(Wh/kg),所以折合成单位能量的成本的话(rmb/Wh),NCM/NCA还更有优势一些,所以从单位材料的成本来单纯计算,结果可能是比较有欺骗性的。


说到这里,我忍不住要吐槽:你们天天嫌电动车贵,就是因为电池用的多,就是因为单位能量的成本(rmb/Wh)这个数太高,其实真的很难降啊,我们都快喝西北风了啊啊啊啊


另外一点,就是磷酸铁锂放电平台太平,不好做电池控制系统啊,NCM/NCA这方面就要好些。


不过作为一名磷酸铁锂研究狗,我也得为我们的材料说几句话:在追求安全性、倍率性的场合,磷酸铁锂电池还是有优势的,尤其是请天天吵着电动车、电池不安全的人多为我们磷酸铁锂投票~。此外磷酸铁锂不需要用镍钴这些玩意,对于国家资源安全是有所帮助的(好吧,其实也用不太多,不过这产业一旦大了用量也可观);还有,磷酸铁锂材料毕竟寿命还是最好的,所以在某些要求时间的场合,它有优势(比如有的电池便宜,但是寿命可能只是磷酸铁锂的一半不到,折合使用时间后成本就不一样了,我才不告诉你是LMO呢,大家要学会算账。在一些能量密度要求不是特别高的场合,磷酸铁锂还是有优势的,比如储能等新领域。当然,如果你对高电压磷酸锰铁锂材料有兴趣的话,我只想说四个字:请联系我~


所以,说来说去,为了让纯电动汽车跑的更远,能量密度更高的电池更受青睐。


谢谢大家思密达~

参考文献: The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase. Adv. Energy Mater. 2012,DOI: 10.1002/aenm.201200028

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谢邀!首先搞清楚锂电池概念后再来讨论这个安全问题:
你说的锂电应该是指锂离子电池,目前手机、特斯拉的汽车、平板电脑、笔记本电脑采用锂电的电动车都是指锂离子电池。另外有一种电池叫做锂电池(大部分是锂原电池(不可充电),也有可充电的锂电池),一般是做成比较小的电池,比如电脑主板上的电池(不要说主板没电池哦,如果没电池,断电的时候不就变成老式诺基亚了么,一断电,时间归零)、手机主板的电池等等(这类电池的主要供应商应该是亿纬锂能了)。
锂离子电池一般以正极材料作为区分(因为负极大部分采用碳材料(没错就是传说中的碳啊,家里烧火的碳啊,哈哈,不过石墨也是碳,钻石也是碳哦),目前手机上用的一般是钴酸锂(LiCoO2)和三元(LiNixCoyMnzO2)即镍钴锰酸锂正极材料(x,y,z表示不同的化学计量比,外行可忽略),磷酸铁锂电池也叫锂电池(不过BYD就喜欢叫自己的磷酸铁锂电池叫做铁电池,这么做是为了规避磷酸铁锂的专利问题),所以楼主问的铁电池是指磷酸铁锂的电池吧。
这样楼主的问题就翻译为:
1.特斯拉采用的锂离子电池是否安全?为什么不采用磷酸铁锂电池;
2.常规的锂离子电池(比如特斯拉采用的)和磷酸铁锂电池哪个更安全?
OK,开始回答你的问题啦。
————————————————————————————————————————————传说中的分割线啊
特斯拉采用的锂离子电池是不安全的(此处说的安全是相对安全,电池是一种储能装置,炸药也是储能装置,三峡大坝也是储能装置,储能装置一旦失控,是绝对不安全的,所以我们储能装置本身没有绝对安全的说法。我们讨论的是相对安全,相对于磷酸铁锂电池来说)。特斯拉的电池采用的是二元材料(LiNixCoyAlzO2), 咦???不是镍钴铝么,怎么是二元了呢?因为铝的作用只是稳定结构而已,不参加化学反应,所以我们忽略它了,它应该不会怪我们的,毕竟没出力嘛,哈哈。
不管是钴酸锂还好,三元(二元)也罢,结构都不是很稳定的,在180℃时都会释放处氧气,氧气导致更加的不稳定,这个是恶心(恶性)循环,真的很恶心的。更多的氧气导致更加低的起火温度。然后呼呼,就火起来啦,然后就没有然后拉。
磷酸铁锂是比较稳定的,目前数据表明在350℃以下是肯定稳定的,350℃以上没什么人研究,因为350℃耶,电解液都火了,正极稳定有个毛用啊。所以磷酸铁锂电池肯定是比特斯拉采用的锂电池要安全的。
(PS.特斯拉对于电池安全采用的态度是更多的冗余,电池不安全,我就设计更多的保障措施呗,典型的硅谷做法嘛)
为什么不采用磷酸铁锂电池后面再补充吧。
弗雷刘说的不错,我就不补充啦!
特斯拉之所以用二元材料NCA的电池不是因为安全,而是体验,NCA有更高的能量密度,所以里程可以更大特斯拉的跑车充一次电里程好像是450公里,同样的纯电动汽车,比亚迪E6(采用磷酸铁锂电池哦)的续航里程才200多公里而已。这就是两者体验的差异。有人说这样啊,那不就多装点电池就可以啦,又是一个恶心的循环,多装电池了汽车就重了,重了就要更多的电来消耗啦。