锂电工程人随便聊一聊的行业知识-磷酸铁锂

这几年自称锂电行业从业者，但作为工程管理者，关注点很少落在基础原理上。 如锂电工程要求避免引入“铜铁锌”，几乎是行业内众所周知的原则，但金属杂质的影响机理是怎样，铜铁锌到底哪一个危害更大，很多人一时答不上。 我想用几篇文章，将我遇到的疑问解答一番，说不定偶有几点能解工程同行的惑。 此为第一篇。 现在我正在一家大型的磷酸铁锂正极材料厂施工，就从磷酸铁锂说起吧。 三元锂电池和磷酸铁锂电池，是目前电动汽车最常用的两种锂离子动力电池，占所有装机量的95%以上。前者能量密度高，续航能力强；后者安全性好，成本低。 磷酸铁锂（LiFePO4）的准确化学名称应是磷酸亚铁锂，因为铁的化合价一般是+2价和+3价。+2价是亚铁离子，+3价是铁离子。LiFePO4里的铁显+2价，所以应念磷酸亚铁锂，一般称磷酸铁锂。下次如果你想装一下，可以这样开场“我们这条磷酸亚铁锂生产线......”最近几年的趋势是三元电池市场份额一路攀升，磷酸铁锂则相应下滑，不过短短数月，行业变天，舆论大呼，三元锂电或被判死刑？ 我梳理了下几个关键节点，看看都有哪些重量级的公司或机构在给磷酸铁锂抬轿子。特斯拉： 2月19日，特斯拉宣布自主研发不含钴的电池，以大家对特斯拉的超高期待，不免都激动的猜测，到底是什么黑科技，结果人家说的就是磷酸铁锂。据悉，23万起售的磷酸铁锂版本的Model 3年内上市，你要不要来一辆。 磷酸铁锂行情就此引燃。 比亚迪： 3月29日，比亚迪发布“刀片电池”，本质依然还是磷酸铁锂，只是用CTP（Cell to PACK，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节）的思路提高了成组效率，变相提升了成组后的能量密度。这件事的意义可比为全世界人民缝口罩来得大， 之前还没有谁这么讨巧的一揽子解决电动车的续航、成本、安全性问题。 工信部： 5月12日，工业信息化部发布了三项强制性国家标准，每个都强制规定电动车的电池热失控后，5分钟内不能起火、不能爆炸，为乘员预留安全逃生时间。2021年1月1日起开始实施。 磷酸铁锂高呼：皇上英明，三元电池只能委屈巴巴：臣妾做不到啊。太阳能能量密度低，晒在身上顶多出汗，核能的能量密度高，一小块爆炸就天崩地裂，这种能量密度的对比，我们有生活经验，感觉得到。 但磷酸铁锂凭什么比三元材料能量密度低呢，如果还是凭生活经验， 我们难免会这么觉得，上帝是公平的，磷酸铁锂更便宜，一分钱一分货吧。有一种说法是，磷酸铁锂的晶体结构是稳定的橄榄石结构，但是成也结构败也结构，这也会让充放电过程中锂离子不好移动（可以理解为房间里塞满了奇形怪状的石头，锂离子在里面进出碍手碍脚），最直观的表现就是，电池容量低。但这种定性的判断还是不能让我满意。 我试着从质量能量密度的公式入手，推导下看看谁起决定作用。能量密度 是指单位质量或单位体积的电池所给出的能量，也称为比能量。 这里我们用单位质量的能量密度，即质量能量密度的计算公式。其中，电池平均工作电压，两者差不太多，磷酸铁锂是3.4V，三元是3.6V，简单起见，假设相同。 质量能量密度与质量比容量近似成正比。 理论质量比容量 ，是假定单位质量的材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量。其中，电极反应时的得失电子数，两者为1。于是理论质量比容量与材料的摩尔质量成反比。 近似的，质量能量密度与材料的摩尔质量成反比。 摩尔质量指1mol微粒的质量，在数值上等于该物质的相对分子质量。对一种确定了分子式的物质，摩尔质量是个定值。 磷酸铁锂的摩尔质量是157.76g/mol，计算出理论质量比容量是170mA.h/g。三元材料的摩尔质量根据镍钴锰三种元素的比例不同稍有不同，如NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩尔质量为96.461g/mol，计算出理论质量比容量是278mA.h/g。材料的分子式确定了能量密度的理论上限。磷酸铁锂的摩尔质量大于三元材料这一无法改变的化学特性，决定了磷酸铁锂的能量密度永远不能超过三元材料。刀片结构说到底是一种结构创新，是前文提到的CTP（Cell to PACK）技术的一种。 这里再详细解释下，一般电动汽车上搭载的电池包，由电芯（Cell）组装成为模组（Module），再把模组安装电池包（Pack）里，形成了“电芯-模组-电池包”的三级装配模式。而CTP是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。有行业专家用一个形象的比喻进行了解释： 把皮鞋放进鞋盒，鞋盒放入鞋柜，皮鞋就相当于电池，鞋盒是模组，鞋柜则是电池包。鞋盒存在的目的是为了让鞋柜中的鞋可以井然有序地存放。无模组技术（如刀片结构）就是把“鞋盒”拿掉，依然让“鞋子”整齐地排列在“鞋柜”中。于是我们自然会提出一个问题，刀片结构可以用到其他电池材料上吗？答案是肯定的。刀片电池的结构创新不仅对铁锂材料适用，扩展到其他材料上也同样有效，因此理论上也可以有三元刀片。只是因为本身三元锂材料的安全性就比不上磷酸铁锂材料，尤其是大电芯无模组下的能量起伏会比现在的小电芯要更大，一旦失效会产生更为严重的后果。只要能系统的解决安全性问题，三元刀片和其他类型材料的刀片也有广阔的应用空间，可以让老司机们有更大的选择空间，比如1000公里续航的SUV。我觉得不会。 就像前几年，三元只是势头盛，但从没有机会将铁锂逼上绝路。这次反过来也会是一样。 首先，大家各有各的应用场景，再不济，3C数码和电动工具还是首选三元材料的。 其次，技术是个动态进步的过程。解决安全性问题大家都没停下脚步。 说到底，两者是东边不亮西边亮，还远没到东风压倒西风的局面。对于企业来说，两条腿走路比一条腿走路强。 朱科 2020年6月2日

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光伏效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

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