磷酸鐵鋰電池應用現狀及發展趨勢①

劉蘭勝

(恒大新能源科技集團有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

隨著全球經濟不斷發展，能源危機逐漸加深，石油資源已表現出了供不應求和價格高漲的現象[1]。因此，尋找一種低碳環保且價格適中的新能源已成為全球各國的迫切需求。隨著國內外鋰電池產業鏈的逐步完善，材料和電池性能不斷突破，生產成本也逐步下降，推動了鋰電池市場呈現持續性增長趨勢，特別是以磷酸鐵鋰為代表的正極材料作為一種實用新型鋰電池，代表了鋰電池的重要發展方向[2]。近幾年，研究者們加大了對磷酸鐵鋰材料的開發，并將研究成果迅速轉化到相應產品中。相關頭部企業相繼推出“刀片電池”“CTP”等新技術方案，在一定程度上擴大了磷酸鐵鋰電池的應用空間，特別是在過去一年里供需格局得到了極大改善，相信未來磷酸鐵鋰市場占比將會越來越高[3]。

2 應用現狀

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]，這一類電池特點是不含貴金屬元素，在實際使用過程中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫、穩定性強、循環次數高、價格便宜等優勢。

如圖1所示，磷酸鐵鋰型鋰離子電池左側是橄欖石結構的LiFePO4右側為碳(石墨)，中間由一種特殊的復合膜隔開[5]。左側正極與鋁箔相連，右側負極與銅箔相連，電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

圖1 磷酸鐵鋰電池內部結構[6]

在對電池進行充電時，正極上分解生成鋰離子，鋰離子通過電解質進入電池負極，嵌入負極碳層的微孔中，在電池使用過程中，嵌在負極微孔中的鋰離子又運動回正極；回到正極的鋰離子越多，放電容量就越高，平時所指的電池容量就是放電容量[7]，這樣，在電池充放電過程中，鋰離子不斷地從正負極之間來回運動，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用領域

鋰離子電池性能主要取決于正負極材料，磷酸鐵鋰作為正極材料推出時間較晚，但它具有安全性能高、循環壽命長、原材料來源廣泛、價格便宜等一系列優勢[9]，受到行業內專家學者的格外關注，相關研究成果和產品迅速得到應用和推廣。

目前，國內動力電池頭部企業以磷酸鐵鋰材料為正極的產品占30%以上，并且呈現快速增長的方式。特別是比亞迪(BYD)專注于磷酸鐵鋰電池產品的研發和技術創新，并將它們安裝在自己生產的乘用車和商用車產品上，其中純電動大巴車遠銷歐美等發達國家。近段時間，寧德時代(CATL)將自己的磷酸鐵鋰電池產品供貨特斯拉，為行業帶來了較強的引領作用[10]。

動力電池作為新能源汽車的心臟[11]，不僅應用在乘用車上，而且廣泛應用在商用車、船舶等領域，特別是隨著大容量磷酸鐵鋰電池產品的成熟應用，在城市內部短距離運行的純電動公交車、環衛車、物流運輸車等大量出現。此外，磷酸鐵鋰電池在電動船舶、5G通信基站、儲能電站等領域也有很大的應用空間，特別是儲能領域，磷酸鐵鋰電池產品占比在90%以上。

3 發展趨勢

3.1 磷酸鐵鋰電池在乘用車領域發展趨勢

一段時間以來，在國家政策引導下，三元鋰離子電池得到快速發展，并迅速在新能源動力電池領域占據主導地位。2019年以來，隨著國家補貼政策的調整，磷酸鐵鋰電池因其安全性能高、循環次數多、價格便宜等優勢，受到國內外研究學者和企業青睞，新的研究成果迅速得到轉化和應用，磷酸鐵鋰電池產品能量密度和產品穩定性得到很大提升，在乘用車動力電池市場占有率方面得到較大提升，2019年磷酸鐵鋰電池出貨量占動力電池總出貨量約28%，2020年這一數據已提升至40%左右[12]。進入2021年，國家發布了最新的新能源汽車補貼政策，從國家政策層面來看，我國正逐步降低政策對新能源汽車行業的干預，轉而利用市場的自由競爭，推進我國新能源事業的發展。2021年1-5月份，我國新能源汽車產銷分別為96.7萬輛和95萬輛，同比均增長約220%；特別是特斯拉Model 3、比亞迪漢、五菱宏光MINI EV等幾款爆款車型均搭載磷酸鐵鋰電池，大幅帶動了磷酸鐵鋰電池的裝機量。相關頭部企業也都在積極開展磷酸鐵鋰電池產品新技術、新工藝、新材料等方面研發，推出了一些能量密度高且性能穩定的產品，也獲得了市場的認可。例如，比亞迪(BYD)推出的“刀片電池”和寧德時代(CATL)的“CTP”方案，都已經得到了成功推廣；此外，更為先進的CTC方案，相關企業和研究者也在積極探索中，相信在不久的未來，磷酸鐵鋰電池產品將在動力電池中的占比越來越高，將迎來一個高速發展期。

3.2 磷酸鐵鋰電池在商用車領域發展趨勢

商用車一般體型較大，對動力電池體積和能量密度要求沒有乘用車高，但它們使用頻率高，運營里程和時間相對固定，另外客車對安全性要求極高，而磷酸鐵鋰電池安全性能高，恰好與商用車匹配度很高，隨著大容量電池包的成功開發與應用，磷酸鐵鋰電池在城市公交車、環衛車、景點游覽車等領域占比在70%以上。2017年、2018年新能源專用車磷酸鐵鋰電池裝機量為2.15 GWh、2.75 GWh，同比增長28%，占比提升至42%。從新能源汽車推廣應用車型目錄來看，2019年搭載純電動專用車已成為主流，2019年鐵鋰正極總產量約8.9萬t，同比增長52.4%，2019年新能源動力電池裝機量約62.38 GWh，同比增長47%，其中，磷酸鐵鋰動力電池裝機量約20.8 GWh，占總裝機量32%左右。受益于磷酸鐵鋰電池帶來的成本下降與競爭力提升，2020年磷酸鐵鋰電池市場規模約210億，同比增長75%，2021年預計將達到260億，同比增長24%，市場占有率將持續提升。

3.3 磷酸鐵鋰電池在5G通信領域發展趨勢

當前，5G通信基站已成為最熱門的“新基建”之一，各大運營商都在進行5G通信基站建設。截至目前，我國5G基站已累計建成超過72萬個，約占全球總數的70%，其中中國移動已建成5G基站約41萬個，占國內5G基站總數的50%以上。但5G基站的運營也面臨一個巨大的挑戰，5G基站的功耗遠大于4G基站，需對電源系統擴容，也就意味著所有5G基站的開關電源、蓄電池、電源線等必須更新，才能確保5G基站的電力供給，磷酸鐵鋰電池是目前最優的選擇。目前，運營商的招標也以磷酸鐵鋰電池為主，2019年磷酸鐵鋰電池產品在5G通信領域出貨量約11.6 GWh，預計2019—2025年5G通信基站對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域發展趨勢

電動船舶的優勢是不存在空氣和水域污染，在電動化的浪潮下，電動船舶的發展也在加速進行。電動船舶對電池性能要求側重點與電動汽車不同，電動船舶對電池性能要求高于新能源汽車電池，因為電動船舶帶電量大，一旦發生起火爆炸，乘客將更加難以逃生。所有電動船舶動力電池都必須經過中國船級社(CCS)認證，目前，通過CCS認證的船舶動力電池只有方形磷酸鐵鋰電池，這是因為磷酸鐵鋰電池具有高安全性、低成本等優勢，特別是磷酸鐵鋰動力電池管理系統(BMS)進步和成熟，充放電倍率大幅提升，使電動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船舶上推廣應用的技術條件。隨著國家對環保的重視和磷酸鐵鋰電池產品技術進步，相信未來電動船舶將進入高速發展階段。

4 結論

隨著全球環保意識的不斷加強，我國在75屆聯合國大會上提出在2030年前將實現碳達峰，2060年前實現碳中和目標。新能源將是未來發展的熱點，而磷酸鐵鋰電池自身具備的一些優勢，使得其在多元化市場應用中發揮更大空間，尤其在新能源汽車、5G通信基站、電動船舶等領域，隨著“刀片電池”“CTP”-“CTC”等新技術、新方案推廣和應用，磷酸鐵鋰電池產品將成為新能源發展的熱點之一。將來，磷酸鐵鋰電池在新能源動力電池的占比將越來越高，特別隨著新技術、新工藝應用推廣和安全性、能量密度的提高，磷酸鐵鋰型電池將在動力電池中占據主導地位。