今年年初，比亚迪通过刀片电池的针刺试验，将磷酸铁锂电池重新拉回了人们的视野。通过这次的针刺试验让许多人了解到了，磷酸铁锂电池在安全性方面要比三元锂电池更具有优势。

与此同时，当时间来到2020年底，随着气温的不断下降，许多北方电动车主在网络上开始吐槽电动车冬季续航衰减、充电速度变慢等用车问题。其中，采用磷酸铁锂电池的电动车，在低温环境下的拉胯表现更是让不少电动车主苦不堪言。

由此可见，不论是三元锂电池还是磷酸铁锂电池都有其各自的优劣，不能单一的去说哪种电池好，哪种电池不好。那么这背后究竟是什么原因，导致它们性能不同呢？今天我们就来好好聊一聊。

在动力电池中，磷酸铁锂电池和三元锂电池是最常用的两种锂离子电池，他们的不同只是在正极材料的选择上。三元锂电池的正极材料是镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA），磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂，正是因为正极材料的不同决定了它们有着不同的命运。

无论是哪种材料作正极，电池的本质还是化学反应，而化学元素的特性是与生俱来的，这不会因为你把电池做成长方形或者圆柱形而改变。

稳定可靠的磷酸铁锂

无论是哪种材料作正极，电池的本质还是化学反应，而化学元素的特性是与生俱来的，这不会因为你把电池做成长方形或者圆柱形而改变。首先，从化学角度来看，磷酸铁锂是典型的正交晶系，每一个晶胞含有四个单元，一个八面体FeO4分别和一个四面体PO4与两个八面体LiO6共棱，另外一个四面体PO4又与两个八面体LiO6共棱，这样的结构使得锂离子在充放电时可以自由移动。

优势：

与此同时，高中化学知识告诉我们：磷酸铁锂中的P-O共价键的键能很大，所以稳定性很强，不容易分解，高温或者过充都不会使其结构崩塌。正是因为其结构难以被破坏，所以共价键另一端的氧原子就会很老实，很难被氧化而释放。

所以磷酸铁锂有很好的耐高温性，基本上温度到了500°C左右，也不会把P-O共价键破坏，释放出氧气来（满电状态下，磷酸铁锂电池要700°C左右才会发生热分解）。这就解释了为什么基于磷酸铁锂而来的刀片电池，在经过针刺后依然没有起火自燃。

其次，磷酸铁锂材料在锂离子脱嵌时，自身晶体不会发生重新排列，因此有着很好的可逆性与循环性。这个特性让能量型磷酸铁锂电池的循环寿命可长达3000-4000次，倍率型磷酸铁锂电池的循环甚至可达上万次。

劣势：

磷酸铁锂因为其结构中相邻的FeO6八面体通过共顶点连接，这种结构使得其导电率低；同时，三维空间网状橄榄石结构的磷酸铁锂形成了一维的锂离子传输通道，限制了锂离子的扩散，所以它的充放电效率就受到影响。低温环境下，材料活性降低，能够发生移动的锂离子数量减少，因此磷酸铁锂在低温情况表现不佳。

此外，与三元材料相比，磷酸铁锂材料的放电比容量较低，且平均电压也更低，因此磷酸铁锂电池的质量比能量一般较三元锂更低。此外，由于磷酸铁锂颗粒的本身不密实，导致其振实密度和压实密度低（磷酸铁锂极片的压实密度约为2.3-2.4g/cm，而三元极片可以达到3.3-3.5 g/cm）。所以通俗的说，就是同等体积条件下，磷酸铁锂装的少，自然容量就小，能量密度也就偏低。并且事实上，行业内的共识是磷酸铁锂自身的能量密度已经到了天花板，继续大幅度向上已无可能。

密度高但怕热的三元锂

三元锂电池的正极材料是镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA），以最常见的镍钴锰三元锂电池来说，它就是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，经过一定的比例搭配而成的，并且这其中每个元素都发挥着重要作用，同时每个元素的特点也制约着电池性能。

NCM具有和LiCoO2类似的α-NaFeO2型层状岩盐结构，属六方晶系，空间点群 R3m。由下图1可见，晶格中 Li主要占据 3a位置，O则占据 6c位置，形成 MO6八面体结构，Ni、Co、Mn无序占据3b位置，整个晶体可以看作由[MO6]八面体层和[LiO6]八面体层交替堆垛而成，非常适合锂离子的嵌入与脱出。

Ni2+(0.069 nm) 与 Li+(0.076 nm)的半径接近，Ni2+很容易进入间晶片占据 Li+的 3a位置，Li+则进入主晶片占据 3b位置，发生阳离子混排现象(如下图2)，导致晶胞参数 a增大。在 Li层的 Ni2+半径小于 Li+，这将降低间晶片厚度，并在充电时氧化成 Ni3+或 Ni4+，造成间晶片空间的局部塌陷，增加放电过程中 Li+的离子嵌入难度，降低材料可逆容量。

而 Li+进入过渡金属层则会扩大主晶片厚度，并难以脱嵌，使材料电化学性能恶化。因此，间晶片厚度越小，Li+越难以重新嵌入。离子混排程度可用 c/a 值和 I(003)/I(104)表征，当c/a>4.9以及I(003)/I(104)>1.2时，混排程度低。

通俗点说就是，钴（Co）能够使锂离子的脱嵌更加容易，提高材料的导电并提升放电循环性能，但是Co含量过高会导致成本较高，性价比低；镍（Ni）可以提高材料的可逆容量，但是如果它的含量太高，材料的循环性能就会变差；锰（Mn）可以提高材料安全性和稳定性，含量过高则会降低材料克容量。

优势：

凭借锰很强的结构支撑作用（三元材料结构不容易坍塌），搭配镍对正极材料能量的提高，在相同体积的情况下，三元材料具有的电量比磷酸铁锂更多。

此外，三元材料的另一个突出优点在于低温性能，客观的说，是由于磷酸铁锂的表现比较糟糕，才凸显了三元的低温表现。因为磷酸铁锂PO4极性太强，对Li束缚能力大，扩散系数就低。而三元材料则没有这个问题，因此在低温环境下，充放电受到的影响较小。

劣势：

当然三元材料也有自己的缺点，三种元素本身不耐高温，极端情况下会释放氧分子，同时其自身的循环寿命也较磷酸铁锂有差距，由此可见三元也并不是全场景通吃。热稳定性确实是三元材料的一个痛点，元素结构使得其对氧的束缚低，这就需要在后天的电池设计中针对这个弱点加以特别关照，就好像车辆的保险杠一样。

总结

"补贴退坡"的因素让新能源车企们不得不降本获利，这也把磷酸铁锂电池重新拉回到大家视野中来。使用磷酸铁锂电池并不是技术上的倒退，因为它和三元锂电池的关系好比是自吸和涡轮发动机，两者并没有"谁好谁坏"之分，只是运用的场景不同罢了。

未来磷酸铁锂电池和三元锂电池会根据车型的定位产生分水岭。为了权衡续航里程和售价这两个重要指标，磷酸铁锂会在中低端产品上逐渐复活回暖。但反之，中高端产品要兼顾更多的使用场景和性能表现，三元锂电池还会是主流的动力电池技术。

转载请注明出处。