保证看得懂的锂电池技术路线

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  锂电池全名锂离子二次电池,是一种以锂为媒介来储存能量的化学电池。锂是指锂电池内传递能量的媒介锂离子,锂离子就像游泳选手一样,不断在正、负极间来回游动,当锂离子游到负极,就是充电;当锂离子游到正极,就是放电。而让锂离子游动的游泳池的水,就是电解液。实务上,为了避免正、负极直接接触导致短路而烧起来,中间会插入一层高分子做成的隔离膜用以分隔正、负极。


(图一)锂电池的结构 
资料来源:Leclanche网站
 

快速认识锂电池家族中最广为人知的钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、锂三元电池

  锂电池内的正极材料组成相当复杂,而负极材料则相对简单。目前商用负极主要以石墨类占大宗,超过九成以上。根据不同的来源,又可以分成天然石墨(NG)、人造石墨(AG)两大类。某些特殊应用如快充放等,会使用软碳(SC)、硬碳(HC)、中间相微碳球(MCMB)等,这些也属于广义的石墨负极。

  正极材料总类就多了,但大体上可以分成三大类:钴酸锂(LCO)、磷酸铁锂(LFP)与三元材料(NMC)。其中钴酸锂发展最早,市场也最成熟,多半被应用在数位产品、小家电等。但近年钴价大涨导致成本垫高许多,加上电池效能发展遇到瓶颈,因此逐渐被后两者取代。

  磷酸铁锂特性则是寿命长、安全性高、成本低廉,但它有个致命的缺点,就是能量密度较低。2018年中国大陆对锂电池能量密度的补助门槛提高后,市场急冻,导致许多材料厂关门大吉。目前磷酸铁锂多半被使用在小型储能电池或是对续航力较不要求的短程电动大巴、电动自行车等,部分使用在汽机车的启动电瓶。

  三元材料的特性则刚好与磷酸铁锂相反。寿命短,短磷酸铁锂约一半的使用期;安全性也没有磷酸铁锂高;成本也高,较磷酸铁锂高约两倍。但三元材料有个最强悍的优势—能量密度高,高了磷酸铁锂一半以上,因此在要求续航力的平板手机等数位产品,或是我们最哈的电动车等,市场都被三元材料主宰。
 


(图二)正极材料比较表 
资料来源:颜文群整理

锂电池技术大跃进,在能量密度、寿命以及价格这三大关键上完胜对手,但外卡选手在场外虎视眈眈

  锂电池技术在过去十几年来大跃进,能量密度和寿命是以前的十倍,价格却十分之一不到,让对手一个一个被淘汰出局。不过,电池的球赛现在才四局下半,谁会取得最后的胜利还很难说。如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充电速度是石墨数倍的石墨烯、寿命是石墨十倍(1,000次)的钛酸锂(10,000-20,000次),还有整个体系大改的锂硫电池、锂空气电池、固态电池,甚至还有许多非锂系的外卡选手在场外虎视眈眈,如成本较低廉的钠、镁电池,寿命较长的铝电池等,都以不可思议的速度发展中。

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