磷酸铁锂电池应用现状及发展趋势①

刘兰胜

(恒大新能源科技集团有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

随着全球经济不断发展，能源危机逐渐加深，石油资源已表现出了供不应求和价格高涨的现象[1]。因此，寻找一种低碳环保且价格适中的新能源已成为全球各国的迫切需求。随着国内外锂电池产业链的逐步完善，材料和电池性能不断突破，生产成本也逐步下降，推动了锂电池市场呈现持续性增长趋势，特别是以磷酸铁锂为代表的正极材料作为一种实用新型锂电池，代表了锂电池的重要发展方向[2]。近几年，研究者们加大了对磷酸铁锂材料的开发，并将研究成果迅速转化到相应产品中。相关头部企业相继推出“刀片电池”“CTP”等新技术方案，在一定程度上扩大了磷酸铁锂电池的应用空间，特别是在过去一年里供需格局得到了极大改善，相信未来磷酸铁锂市场占比将会越来越高[3]。

2 应用现状

2.1 磷酸铁锂电池组成与原理

所谓磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池[4]，这一类电池特点是不含贵金属元素，在实际使用过程中，磷酸铁锂电池具有耐高温、稳定性强、循环次数高、价格便宜等优势。

如图1所示，磷酸铁锂型锂离子电池左侧是橄榄石结构的LiFePO4右侧为碳(石墨)，中间由一种特殊的复合膜隔开[5]。左侧正极与铝箔相连，右侧负极与铜箔相连，电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

图1 磷酸铁锂电池内部结构[6]

在对电池进行充电时，正极上分解生成锂离子，锂离子通过电解质进入电池负极，嵌入负极碳层的微孔中，在电池使用过程中，嵌在负极微孔中的锂离子又运动回正极；回到正极的锂离子越多，放电容量就越高，平时所指的电池容量就是放电容量[7]，这样，在电池充放电过程中，锂离子不断地从正负极之间来回运动，如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池工作原理[8]

2.1 磷酸铁锂电池主要应用领域

锂离子电池性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为正极材料推出时间较晚，但它具有安全性能高、循环寿命长、原材料来源广泛、价格便宜等一系列优势[9]，受到行业内专家学者的格外关注，相关研究成果和产品迅速得到应用和推广。

目前，国内动力电池头部企业以磷酸铁锂材料为正极的产品占30%以上，并且呈现快速增长的方式。特别是比亚迪(BYD)专注于磷酸铁锂电池产品的研发和技术创新，并将它们安装在自己生产的乘用车和商用车产品上，其中纯电动大巴车远销欧美等发达国家。近段时间，宁德时代(CATL)将自己的磷酸铁锂电池产品供货特斯拉，为行业带来了较强的引领作用[10]。

动力电池作为新能源汽车的心脏[11]，不仅应用在乘用车上，而且广泛应用在商用车、船舶等领域，特别是随着大容量磷酸铁锂电池产品的成熟应用，在城市内部短距离运行的纯电动公交车、环卫车、物流运输车等大量出现。此外，磷酸铁锂电池在电动船舶、5G通信基站、储能电站等领域也有很大的应用空间，特别是储能领域，磷酸铁锂电池产品占比在90%以上。

3 发展趋势

3.1 磷酸铁锂电池在乘用车领域发展趋势

一段时间以来，在国家政策引导下，三元锂离子电池得到快速发展，并迅速在新能源动力电池领域占据主导地位。2019年以来，随着国家补贴政策的调整，磷酸铁锂电池因其安全性能高、循环次数多、价格便宜等优势，受到国内外研究学者和企业青睐，新的研究成果迅速得到转化和应用，磷酸铁锂电池产品能量密度和产品稳定性得到很大提升，在乘用车动力电池市场占有率方面得到较大提升，2019年磷酸铁锂电池出货量占动力电池总出货量约28%，2020年这一数据已提升至40%左右[12]。进入2021年，国家发布了最新的新能源汽车补贴政策，从国家政策层面来看，我国正逐步降低政策对新能源汽车行业的干预，转而利用市场的自由竞争，推进我国新能源事业的发展。2021年1-5月份，我国新能源汽车产销分别为96.7万辆和95万辆，同比均增长约220%；特别是特斯拉Model 3、比亚迪汉、五菱宏光MINI EV等几款爆款车型均搭载磷酸铁锂电池，大幅带动了磷酸铁锂电池的装机量。相关头部企业也都在积极开展磷酸铁锂电池产品新技术、新工艺、新材料等方面研发，推出了一些能量密度高且性能稳定的产品，也获得了市场的认可。例如，比亚迪(BYD)推出的“刀片电池”和宁德时代(CATL)的“CTP”方案，都已经得到了成功推广；此外，更为先进的CTC方案，相关企业和研究者也在积极探索中，相信在不久的未来，磷酸铁锂电池产品将在动力电池中的占比越来越高，将迎来一个高速发展期。

3.2 磷酸铁锂电池在商用车领域发展趋势

商用车一般体型较大，对动力电池体积和能量密度要求没有乘用车高，但它们使用频率高，运营里程和时间相对固定，另外客车对安全性要求极高，而磷酸铁锂电池安全性能高，恰好与商用车匹配度很高，随着大容量电池包的成功开发与应用，磷酸铁锂电池在城市公交车、环卫车、景点游览车等领域占比在70%以上。2017年、2018年新能源专用车磷酸铁锂电池装机量为2.15 GWh、2.75 GWh，同比增长28%，占比提升至42%。从新能源汽车推广应用车型目录来看，2019年搭载纯电动专用车已成为主流，2019年铁锂正极总产量约8.9万t，同比增长52.4%，2019年新能源动力电池装机量约62.38 GWh，同比增长47%，其中，磷酸铁锂动力电池装机量约20.8 GWh，占总装机量32%左右。受益于磷酸铁锂电池带来的成本下降与竞争力提升，2020年磷酸铁锂电池市场规模约210亿，同比增长75%，2021年预计将达到260亿，同比增长24%，市场占有率将持续提升。

3.3 磷酸铁锂电池在5G通信领域发展趋势

当前，5G通信基站已成为最热门的“新基建”之一，各大运营商都在进行5G通信基站建设。截至目前，我国5G基站已累计建成超过72万个，约占全球总数的70%，其中中国移动已建成5G基站约41万个，占国内5G基站总数的50%以上。但5G基站的运营也面临一个巨大的挑战，5G基站的功耗远大于4G基站，需对电源系统扩容，也就意味着所有5G基站的开关电源、蓄电池、电源线等必须更新，才能确保5G基站的电力供给，磷酸铁锂电池是目前最优的选择。目前，运营商的招标也以磷酸铁锂电池为主，2019年磷酸铁锂电池产品在5G通信领域出货量约11.6 GWh，预计2019—2025年5G通信基站对磷酸铁锂电池总需求量在155.4 GWh左右。

3.4 磷酸铁锂电池在船舶领域发展趋势

电动船舶的优势是不存在空气和水域污染，在电动化的浪潮下，电动船舶的发展也在加速进行。电动船舶对电池性能要求侧重点与电动汽车不同，电动船舶对电池性能要求高于新能源汽车电池，因为电动船舶带电量大，一旦发生起火爆炸，乘客将更加难以逃生。所有电动船舶动力电池都必须经过中国船级社(CCS)认证，目前，通过CCS认证的船舶动力电池只有方形磷酸铁锂电池，这是因为磷酸铁锂电池具有高安全性、低成本等优势，特别是磷酸铁锂动力电池管理系统(BMS)进步和成熟，充放电倍率大幅提升，使电动船舶的加速性能和操控性更好，磷酸铁锂电池才具备了在电动船舶上推广应用的技术条件。随着国家对环保的重视和磷酸铁锂电池产品技术进步，相信未来电动船舶将进入高速发展阶段。

4 结论

随着全球环保意识的不断加强，我国在75届联合国大会上提出在2030年前将实现碳达峰，2060年前实现碳中和目标。新能源将是未来发展的热点，而磷酸铁锂电池自身具备的一些优势，使得其在多元化市场应用中发挥更大空间，尤其在新能源汽车、5G通信基站、电动船舶等领域，随着“刀片电池”“CTP”-“CTC”等新技术、新方案推广和应用，磷酸铁锂电池产品将成为新能源发展的热点之一。将来，磷酸铁锂电池在新能源动力电池的占比将越来越高，特别随着新技术、新工艺应用推广和安全性、能量密度的提高，磷酸铁锂型电池将在动力电池中占据主导地位。