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锂电工程人随便聊一聊的行业知识-磷酸铁锂
这几年自称锂电行业从业者，但作为工程管理者，关注点很少落在基础原理上。
如锂电工程要求避免引入“铜铁锌”，几乎是行业内众所周知的原则，但金属杂质的影响机理是怎样，铜铁锌到底哪一个危害更大，很多人一时答不上。
我想用几篇文章，将我遇到的疑问解答一番，说不定偶有几点能解工程同行的惑。
此为第一篇。
现在我正在一家大型的磷酸铁锂正极材料厂施工，就从磷酸铁锂说起吧。
三元锂电池和磷酸铁锂电池，是目前电动汽车最常用的两种锂离子动力电池，占所有装机量的95%以上。前者能量密度高，续航能力强；后者安全性好，成本低。
磷酸铁锂（LiFePO4）的准确化学名称应是磷酸亚铁锂，因为铁的化合价一般是+2价和+3价。+2价是亚铁离子，+3价是铁离子。LiFePO4里的铁显+2价，所以应念磷酸亚铁锂，一般称磷酸铁锂。
下次如果你想装一下，可以这样开场“我们这条磷酸亚铁锂生产线......”
最近几年的趋势是三元电池市场份额一路攀升，磷酸铁锂则相应下滑，不过短短数月，行业变天，舆论大呼，三元锂电或被判死刑？
我梳理了下几个关键节点，看看都有哪些重量级的公司或机构在给磷酸铁锂抬轿子。
特斯拉： 2月19日，特斯拉宣布自主研发不含钴的电池，以大家对特斯拉的超高期待，不免都激动的猜测，到底是什么黑科技，结果人家说的就是磷酸铁锂。据悉，23万起售的磷酸铁锂版本的Model 3年内上市，你要不要来一辆。 磷酸铁锂行情就此引燃。
比亚迪： 3月29日，比亚迪发布“刀片电池”，本质依然还是磷酸铁锂，只是用CTP（Cell to PACK，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节）的思路提高了成组效率，变相提升了成组后的能量密度。这件事的意义可比为全世界人民缝口罩来得大， 之前还没有谁这么讨巧的一揽子解决电动车的续航、成本、安全性问题。
工信部： 5月12日，工业信息化部发布了三项强制性国家标准，每个都强制规定电动车的电池热失控后，5分钟内不能起火、不能爆炸，为乘员预留安全逃生时间。2021年1月1日起开始实施。 磷酸铁锂高呼：皇上英明，三元电池只能委屈巴巴：臣妾做不到啊。
太阳能能量密度低，晒在身上顶多出汗，核能的能量密度高，一小块爆炸就天崩地裂，这种能量密度的对比，我们有生活经验，感觉得到。
但磷酸铁锂凭什么比三元材料能量密度低呢，如果还是凭生活经验， 我们难免会这么觉得，上帝是公平的，磷酸铁锂更便宜，一分钱一分货吧。
有一种说法是，磷酸铁锂的晶体结构是稳定的橄榄石结构，但是成也结构败也结构，这也会让充放电过程中锂离子不好移动（可以理解为房间里塞满了奇形怪状的石头，锂离子在里面进出碍手碍脚），最直观的表现就是，电池容量低。但这种定性的判断还是不能让我满意。
我试着从质量能量密度的公式入手，推导下看看谁起决定作用。
能量密度 是指单位质量或单位体积的电池所给出的能量，也称为比能量。
这里我们用单位质量的能量密度，即质量能量密度的计算公式。
其中，电池平均工作电压，两者差不太多，磷酸铁锂是3.4V，三元是3.6V，简单起见，假设相同。 质量能量密度与质量比容量近似成正比。
理论质量比容量 ，是假定单位质量的材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量。
其中，电极反应时的得失电子数，两者为1。于是理论质量比容量与材料的摩尔质量成反比。 近似的，质量能量密度与材料的摩尔质量成反比。
摩尔质量指1mol微粒的质量，在数值上等于该物质的相对分子质量。对一种确定了分子式的物质，摩尔质量是个定值。
磷酸铁锂的摩尔质量是157.76g/mol，计算出理论质量比容量是170mA.h/g。三元材料的摩尔质量根据镍钴锰三种元素的比例不同稍有不同，如NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩尔质量为96.461g/mol，计算出理论质量比容量是278mA.h/g。
材料的分子式确定了能量密度的理论上限。磷酸铁锂的摩尔质量大于三元材料这一无法改变的化学特性，决定了磷酸铁锂的能量密度永远不能超过三元材料。
刀片结构说到底是一种结构创新，是前文提到的CTP（Cell to PACK）技术的一种。
这里再详细解释下，一般电动汽车上搭载的电池包，由电芯（Cell）组装成为模组（Module），再把模组安装电池包（Pack）里，形成了“电芯-模组-电池包”的三级装配模式。而CTP是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。
有行业专家用一个形象的比喻进行了解释： 把皮鞋放进鞋盒，鞋盒放入鞋柜，皮鞋就相当于电池，鞋盒是模组，鞋柜则是电池包。鞋盒存在的目的是为了让鞋柜中的鞋可以井然有序地存放。无模组技术（如刀片结构）就是把“鞋盒”拿掉，依然让“鞋子”整齐地排列在“鞋柜”中。
于是我们自然会提出一个问题，刀片结构可以用到其他电池材料上吗？
答案是肯定的。刀片电池的结构创新不仅对铁锂材料适用，扩展到其他材料上也同样有效，因此理论上也可以有三元刀片。只是因为本身三元锂材料的安全性就比不上磷酸铁锂材料，尤其是大电芯无模组下的能量起伏会比现在的小电芯要更大，一旦失效会产生更为严重的后果。
只要能系统的解决安全性问题，三元刀片和其他类型材料的刀片也有广阔的应用空间，可以让老司机们有更大的选择空间，比如1000公里续航的SUV。
我觉得不会。
就像前几年，三元只是势头盛，但从没有机会将铁锂逼上绝路。这次反过来也会是一样。
首先，大家各有各的应用场景，再不济，3C数码和电动工具还是首选三元材料的。
其次，技术是个动态进步的过程。解决安全性问题大家都没停下脚步。
说到底，两者是东边不亮西边亮，还远没到东风压倒西风的局面。对于企业来说，两条腿走路比一条腿走路强。
朱科
2020年6月2日
磷酸铁锂电池电池研发部技术员应该做什么?
应该对锂电池工作原理、材料使用、研发结果、试验曲线和数据、生产工艺、实际使用数据、故障率大小等，都有深入了解，这样才能更好完成任务。
磷酸铁锂是电池发展新方向吗？比亚迪刀片电池解读
电动车有几大痛点：第一，续航不够长；第二，充电不够快；第三，电池安全。所以一旦有一天这些问题解决了，电动车才能真正谈得上取代燃油车。
要想解决这些痛点，电池一定是其中最关键的因素。以电池目前的技术来看，无疑制约了电动车的发挥，但是要想在电池技术上取得重大的突破，实际上是很困难的。当下比较成熟的动力电池依然还是磷酸铁锂电池和三元锂离子电池，他们各有优缺点。
简单来说，三元锂离子电池能量密度更高（同样体积更大容量更长续航）、充电更快，但是安全性不够高。磷酸铁锂电池电量密度不够高、充电不够快，但是安全性高。续航和充电速度很关键，但安全性才是电动车的底线。
目前大多数电动车都使用三元锂离子电池，虽然说通过各种技术手段提高了三元锂离子电池的安全性，但电动车的电池安全事故依然不少，自燃是事故的主要体现，此前均出现了特斯拉自燃、威马自燃、蔚来自燃等。有数据显示，在电动车起火事故中，近六成是因为电池问题，而电动车事故中，接近90%的事故车辆搭载三元锂离子电池，只有7%搭载磷酸铁锂电池。由此可见，磷酸铁锂电池的高安全性更让人放心。
比亚迪的新能源汽车一直使用磷酸铁锂电池，但能量密度低导致的续航不够高依然困扰着比亚迪。就在前几日，比亚迪拿出来自己的方案——刀片电池。
关于刀片电池，你首先需要明白两点：第一，它依然是磷酸铁锂电池，而不是其他新兴材料；第二，刀片电池相比其他磷酸铁锂电池只有形状上的差异。所以总结下来就是，刀片电池就是形状像刀片的磷酸铁锂电池，没有其他高大上的地方。那它是如何提高能量密度并提升续航的呢？
电动车的电池并非是直接放在车上某个位置的，而是要先由电池组成模组，再由模组组成电池包。所以整个电池包除了包含电池之外，还有其他组成电池包的构件，包括电池管理模块、结构件等。既然如此，要想提高续航就要增加电池容量，但又不能增加电池包的体；而在不增加电池包体积的情况下要增加电池，就必须要尽量减小除电池以外的其他组成部分所占的空间。
有人说，只要电池和电池管理模块不就好了，其他都不要。那这样的话，电池包的强度从何而来？难道靠电池来受力吗？是的，比亚迪的刀片电池就来源于这种想法。一个电池包需要有坚硬稳固的结构，才能抵挡各种伤害，方可保证电池的安全性。取消结构件，便可以腾出空间安放更多的电池，但电池就要承担起结构件的作用。
刀片电池通过细长且薄的结构特征，使得其在主要受力方向上有非常坚固的表现。就像一把刀，你以拍蒜的方式用力拍打，是有可能把刀拍断的，但是以正常切菜的方式切砍，刀不会有任何问题。这就保证了单个刀片电池的结构刚性，而当把很多的刀片电池排列放开，那电池包整体的结果刚性都将得到提高。
这样的电池包结构增加了电池容量，同时提高了电池包的空间利用率（相比传统方式提高了50%），因此能量密度也得到提升，可达到180Wh/kg，相比同等体积的传统磷酸铁锂电池包提高了50%，最终的结果自然是续航里程的提升。
另外，这样的结构还带来了安全性的提升。因为刀片形式的排布，电池很薄，减小电池包被穿刺后短路的风险，同时很薄的电池利于散热，能很好的控制整个电池包的温度，降低电池过热发生危险的概率。经测试，刀片电池针刺实验时，无明火，不冒烟，表面温度仅有30℃到60℃，而三元锂电池针刺实验时，发生了剧烈燃烧，表面温度超过500℃。即使是普通的磷酸铁锂电池，针刺实验时虽没有起火，但也冒烟，并且表面温度达到200℃到400℃。
比亚迪首款搭载刀片电池的车型将是比亚迪汉，一款定位中型的轿车。比亚迪汉的电池系统能力密度达到140Wh/kg，续航里程达到605km，百公里加速仅需3.9秒。预计6月份就会上市。
于是我们可以发现，虽然刀片电池的能量密度相比普通磷酸铁锂电池已经有大幅度提升，但是最终从比亚迪汉体现出来的144Wh/kg的能量密度，相比主流三元锂离子电池的180+Wh/kg的能量密度还是有很大差距。即使它有更安全的属性，但也掩盖不了它能量密度还是不高的事实。而且我们开篇提到了充电速度问题，磷酸铁锂始终还是磷酸铁锂，充电速度确实赶不上三元锂离子电池。
所以比亚迪虽然大费周章的搞出了刀片电池，但实际上解决的问题并不多，不过它的这一创举还是为电动车动力电池的发展提供了新的思路和解决方案，事实上，确实已经有一些知名车企正在与比亚迪商讨关于刀片电池的技术问题，可见这项技术是得到认可了的。然而电池未来的发展方向，最重要的还是在新材料的寻找上，三元锂离子和磷酸铁锂并非最佳的选择，一定会有更好的电池，能完美解决三大痛点，真正实现电动汽车的革命。
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
磷酸铁锂电池是什么意思
【太平洋汽车网】磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。
一、磷酸铁锂电池。
优点。1、磷酸铁锂电池的寿命长，循环寿命在2000次以上。在同样的条件下，磷酸铁锂电池可使用7到8年的时间。
2、使用安全。磷酸铁锂电池经过严格的安全测试，即使在交通事故中也不会发生爆炸。
3、充电快速。使用专用充电器，1.5C充电40分钟即可以使电池充满。
4、磷酸铁锂电池耐高温，磷酸铁锂电池热风值可以达到350到500摄氏度。
5、磷酸铁锂电池的容量大。
6、磷酸铁锂电池没有记忆效应。
7、磷酸铁锂电池绿色环保，无毒，无污染，原材料来源广泛，价格便宜。
缺点。1、磷酸铁锂电池正极的振实密度小，密度一般在0.8到1.3左右。体积大。
2、导电性能差，锂离子扩散速度慢，高倍充放电时，实际的比容量低。
3、磷酸铁锂电池的低温性能差。
4、磷酸铁锂电池单个电池的寿命长，在2000次左右，但是磷酸铁锂电池组的寿命短，一般在500次左右。
锂电池。
（一）简介锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。
（二）优点。
1、能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍。
2、使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10，000次的记录。
3、额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。
4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速。
5、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20。
6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5。
7、高低温适应性强，可以在-20°C--60°C的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45°C环境下使用。
