浅谈磷酸铁锂电池技术演变

汽车开发圈

最新更新时间：2024-10-22

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随着消费者对于电动汽车的安全、续航、充电速度和成本的要求逐渐提高，各大主机厂对于磷酸铁锂电池的使用越来越广泛。从10万的A0级代步工具，到20万出头的性能轿跑，都能看到磷酸铁锂电池的身影。

截至2024年6月，磷酸铁锂电池在国内的装机量已经突破了30GWh，几乎是三元电池的3倍。如果我们回溯数据，可以发现磷酸铁锂的强势增长大约开始于2022年6月。

那么究竟是什么因素导致了这样的局面？今天就和大家简单梳理一下磷酸铁锂电池技术演变的过程。

01. 能量密度

1.1 Cell to Pack

磷酸铁锂电池因其正极材料固有的热稳定性，在安全方面有天然优势，适合搭配 Cell to Pack 结构设计，获得更高的体积利用率，从而增加单次充电的续航里程。例如下图左侧特斯拉的磷酸铁锂电池采购了宁德时代的电芯，为了与三元电池包结构设计兼容，仍然保留了4个纵向模组的设计；而右侧比亚迪电池包取消了模组结构，利用电芯自身的机械强度优势，在提高电池包体积能量密度同时，不降低安全性。

目前国内市场除了比亚迪的 Cell to Pack 方案，比较知名的还有极氪的金砖电池。

1.2 正负极材料

磷酸铁锂电池能量密度的提升除了电池包结构创新，还少不了电芯本身的材料创新。

1）正极颗粒纳米化

磷酸铁锂材料本身的导电性存在一定短板，通常采用表面包覆或体相掺杂的手段进行改性，除了这些外部方法，还有一个直接缩短锂离子传输路径的方法，就是材料颗粒纳米化。

如上图所示，宁德时代在去年发布神行电池发布会上曾展示磷酸铁锂纳米颗粒的改性效果，右侧是笔者搜索到的相关专利，通过COF骨架和碳纳米管避免纳米颗粒在搅拌工序团聚，从而更好地发挥克容量。

磷酸铁锂颗粒纳米化也有助于极片压实密度的提高，如下图所示，小尺寸颗粒可将大尺寸颗粒间的空隙填充，从而降低冷压断带的几率，提升压密。

2）低膨胀负极材料

在今年4月的北京车展上，宁德时代推出了神行电池Plus，负极材料方面采用了改性后的低膨胀石墨，兼顾了长续航和快充速度。

根据宁德时代2022年的专利，所谓的“3D阳极材料”可能是由碳气凝胶和石墨制成的。碳气凝胶为石墨颗粒填充提供了三维框架，可以吸收和减弱锂离子进出石墨颗粒时的内应力，从而降低阳极膨胀，提高阳极压实密度。

02. 充电速度

2.1 液冷充电桩

除了电池自身的创新，磷酸铁锂电池快充速度提升也离不开充电设备的进化，目前最常用的就是液冷充电桩。

以极氪007 75度磷酸铁锂车型为例，从20%SOC到80%SOC在14分钟内，峰值功率约为280kW。

除了极氪的V2极充桩，华为也于今年推出了“华为超充”，并联合宁德时代神行电池为用户打造“1秒1公里”的充电体验。

快充驱动充电模块高功率、液冷方向新趋势。提高充电桩输出功率即要提高充电模块的功率，可通过增加充电模块数量或提升单个充电模块功率实现，而随着充电功率的不断提高，增加充电模块数量在体积上不再可行，提升单个充电模块功率势在必行。目前我国市场主流充电模块已经从 2016年前的第一代 7.5kW发展到目前普遍的第二代 15/20kW 2020年开始普及的第三代 30/40kW模块目前正在逐渐成为市场主流。随着充电模块功率的提升，传统风冷已无法满足其散热需求，液冷成为高功率充电模块散热的新方案。