浅谈磷酸铁锂电池及其在电动船舶行业应用与发展

刘艳良

（1、福建省港航事业发展中心，福建 福州350002 2、福建宏业交通服务有限公司，福建 福州350002）

近年来，随着环保与船舶排放标准的提高,尤其是《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》（GB15097-2016）实施以来，各地对船用内燃机的排放要求层层加码，越来越多的水域与地区禁止内燃机船舶的进入，现如今中华人民共和国海事局发布的船舶法规《船舶与海上设施法定检验技术规则- 国内航行海船法定检验技术规则（2020）》也将于2020 年8 月1 日起实施，该船舶法规对船舶的排放标准要求更加严格; 因此发展新兴无污染新能源的船舶将是大势所趋。尤其是新兴的“锂电池电动船舶”以绿色环保、零污染、安全以及使用成本低等优点，将成为内河、湖泊的短距离运输船、观光船、轮渡船等的首选船舶。而作为锂电池家族最安全磷酸铁锂电池，伴随着近年来相关锂电池技术在安全、长续航、大功率、长寿命等技术难题的突破，磷酸铁锂电池以其相对较低的价格,较高的能量密度简易的维护,以及优异的安全性能将成为电动船舶发展的优选能源。

1 磷酸铁锂电池的结构特点与充放电过程

磷酸铁锂电池其全称为磷酸铁锂锂离子电池，其内部有以正交橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)为主要原料构成的正极；以碳（石墨）与粘合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状涂覆在铜基体上并呈薄层状分布的负极；用以传导的特殊电解质以及用于能起到关闭或阻断通道的作用隔膜或称隔离膜。

磷酸铁锂电池的内部结构如图1 所示，左边的是LiFeCOPO4，具有橄榄石结构是电池的正极，通过铝箔与电池正极连接；右边主要是由碳（石墨）组成的负极，通过粘合剂组成的碳（石墨）混合物与电池的负极连接。中间的部分就是起到关闭或阻断通道的作用隔膜，电池的上下部分填充电解质，电池的外壳一般由金属组成且密闭封装。

磷酸铁锂电池的充放电原理是：充电过程中，磷酸亚铁锂中的部分锂离子脱出，经电解质传递到负极，嵌入负极碳材料，磷酸铁锂电池的充放电反应主要发生在LiFePO4和FePO4两相之间进行，在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子（Li+）形成FePO4。LiFePO4-χLi++χe-→χFePO4+(1-χ)LiFePO4（电池充电过程）- 磷酸铁锂电池的放电时，是离子自负极石墨中脱出，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外部放电电路到达正极，并在此过程中为外部提供能量。在放电过程中，锂离子嵌入磷酸铁（FePO4）晶体形成磷酸铁锂（LiFePO4）。

FePO4+χLi++χe-→LiFePO4+(1-χ)FePO4（电池放电过程）

2 磷酸铁锂电池作为电动船舶动力源的优势

磷酸铁锂电池安全性和耐高温性能优异正交橄榄石结构的LiFePO4 正极磷酸铁锂电池是目前最安全的锂离子电池正极材料，且不含有对人体有害的重金属元素，其橄榄石结构的晶体结构构架稳固，氧（O）与磷（P）以强共价键牢固结合，使其结构中的氧难以与电解质发生氧化反应，即便在高温情况下也不会形成结构崩塌发热，这能够很好的保证电池充放电过程的稳定性与安全性，磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20℃～+75℃），其优异的高温性能、安全性方面具有突出的优势使其成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。

2.1 磷酸铁锂电池的使用寿命更长

磷酸铁锂电池，完整充电循环寿命在2000 次以上，标准充放电（5 小时率）使用，一般可达到2000 次。而铅酸电池的循环使用次数在300 次左右，最大一般不超过500 次，使用年限多在1～1.5年时间，相同条件下的磷酸铁锂电池理论寿命将达到7～8 年。并且磷酸铁锂电池具备大电流放电能力，也可使用大电流2C 快速充放电，而铅酸电池现在无此性能。

2.2 量产产品单位能量密度较高具备价格优势

据报道，2018 年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在160Wh/kg 左右，2019 年一些优秀的电池厂家大概能做到175-180Wh/kg的水平，个别厉害的公司量产的磷酸铁锂电池单体能量密度最高已突破190Wh/kg，目前市场上已经有攻克磷酸铁锂电芯200wh/kg的高难度，并且磷酸铁锂体系还可继续提升能量密度，随着市场对未来电动船舶市场、储能市场的看好，未来磷酸铁锂电池应用在电动船舶领域的比例增多的同时必然会在能量密度将迎来较大的发展，同时单位价格也会呈现下降趋势。

2.3 绿色无污染的环保产品

磷酸铁锂电池一般不含任何重金属与稀有金属无毒无污染（由Societe Generale de Surveillance S.A.认证通过），且符合欧洲《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances) 规定，是绝佳的绿色环保电池。

3 磷酸铁锂电池在电动船舶中应用的主要船型

当前纯电动船舶在观光客船、景区画舫、沿江沿海渡船、和内河货船、港口拖船、江海联运散货船、集装箱船等多种船型等船型均有应用，船型方面包含客船、渡船、旅游船、公务船、工程船、干散货船、集装箱船等多种船型。不过现阶段超过5000 吨级的中大型船舶完全锂电化难度依然较大。目前结合当前政府在船舶电动领域的推广情况和内河、湖泊区域的环保要求来看，未来一段时间内船舶电动化尤其是纯电动船将主要在内河水域、湖泊等相对封闭水域获得较大发展，主要集中在沿江沿海城市渡船、观光船、内河（湖）货船、港口拖船等市场。且这些船舶吨位多集中在2000 吨以内的船舶类型。

图1

4 纯电动船舶行业法规与标准制定

2019 年中国海事局发布了《船舶与海上设施法定检验技术规则- 内河小型船舶检验技术规则》2019 年修改通报（以下简称“2019 修改通报”），该“修改通报”自2019 年9 月1 日起实施，该法规中增加了纯电池动力电力推进船舶的附加要求章节，明确经中国船级社认可的磷酸铁锂电池可用于全船的动力源，事实上，磷酸锂铁电池是除酸性铅板型或碱性镍板型蓄电池外唯一被认可的船用能源锂电池，“2019 修改通报”的实施为内河小型船舶纯电力推动采用磷酸铁锂电池作为能源提供了可靠的法律依据和技术要求。

在技术规范标准方面，中国船级社（CCS）联合宁德时代、亿纬锂能等国内主流电池生产企业，着手相关标准的制定完善。2019年12 月，CCS 正式发布《纯电池动力船舶检验指南》（2019 年12月1 日生效），同时替代CCS《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》，这是国内首个专门针对纯电动船舶的检验指南。较为遗憾的是CCS 发布的《纯电池动力船舶检验指南》仅适用钢质或铝合金材料建造的船舶。这让许多非金属材质的景区游览船、观光船等小型船舶依然不能应用新型的磷酸铁锂电池作为船舶主动力。

结束语

相对传统化石能源提供动力的船体船舶，纯电动船舶具备更高的经济性，一方面解决污染问题,另一方面还有着更低的噪音性能和舒适性，并且不会产生碳、硫等废气污染物，完全实现“零排放”的优点。纯电动船舶的发展已是大势所趋，未来在短距离运输船、观光船、轮渡船等船型上将迎来纯电动船舶发展高峰。磷酸铁锂电池作为未来纯电动船舶的能源核心，对比铅酸电池，具有更好的安全性、更长的使用寿命，更好的高温稳定性以及较低的成本，良好的能量密度以及体积方面的优势，将当仁不让的成为纯电力推进船舶的首选能源。