今年年初，比亞迪通過刀片電池的針刺試驗，將磷酸鐵鋰電池重新拉回了人們的視野。這次針刺試驗讓許多人了解到了，磷酸鐵鋰電池在安全性方面要比三元鋰電池更具有優勢。與此同時，隨著2020年底氣溫的不斷下降，許多北方電動車主在網絡上開始吐槽電動車冬季續航衰減、充電速度變慢等用車問題。其中，采用磷酸鐵鋰電池的電動車，在低溫環境下的糟糕表現更是讓不少電動車主苦不堪言。由此可見，不論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池都有其各自的優劣，不能單一地去說哪種電池好，哪種電池不好。那么這背后究竟是什么原因，導致它們性能不同呢？今天我們就來好好聊一聊。在動力電池中，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是最常用的兩種鋰離子電池，他們的不同只是在正極材料的選擇上。三元鋰電池的正極材料是鎳鈷錳（NCM）或鎳鈷鋁（NCA），磷酸鐵鋰電池的正極材料是磷酸鐵鋰，正是因為正極材料的不同決定了它們有著不同的命運。無論是哪種材料作正極，電池的本質還是化學反應，而化學元素的特性是與生俱來的，這不會因為你把電池做成長方形或者圓柱形而改變。首先，從化學角度來看，磷酸鐵鋰是典型的正交晶系，每一個晶胞含有四個單元，一個八面體FeO4分別和一個四面體PO4與兩個八面體LiO6共棱，另外一個四面體PO4又與兩個八面體LiO6共棱，這樣的結構使得鋰離子在充放電時可以自由移動。其優勢在于，磷酸鐵鋰中的P-O共價鍵的鍵能很大，因此穩定性很強，不容易分解，高溫或者過充都不會使其結構崩塌。正是因為其結構難以被破壞，所以共價鍵另一端的氧原子就會很老實，很難被氧化而釋放。因此，磷酸鐵鋰有很好的耐高溫性，基本上溫度到了500°C左右，也不會把P-O共價鍵破壞，釋放出氧氣來（滿電狀態下，磷酸鐵鋰電池要700°C左右才會發生熱分解）。這就解釋了為什么基于磷酸鐵鋰而來的刀片電池，在經過針刺后依然沒有起火自燃。其次，磷酸鐵鋰材料在鋰離子脫嵌時，自身晶體不會發生重新排列，因此有著很好的可逆性與循環性。這個特性讓能量型磷酸鐵鋰電池的循環壽命可長達3000-4000次，倍率型磷酸鐵鋰電池的循環甚至可達上萬次。劣勢在于，磷酸鐵鋰因為其結構中相鄰的FeO6八面體通過共頂點連接，這種結構使得其導電率低；同時，三維空間網狀橄欖石結構的磷酸鐵鋰形成了一維的鋰離子傳輸通道，限制了鋰離子的擴散，所以它的充放電效率就受到影響。低溫環境下，材料活性降低，能夠發生移動的鋰離子數量減少，因此磷酸鐵鋰在低溫情況表現不佳。此外，與三元材料相比，磷酸鐵鋰材料的放電比容量較低，且平均電壓也更低，因此磷酸鐵鋰電池的質量比能量一般較三元鋰更低。此外，由于磷酸鐵鋰顆粒的本身不密實，導致其振實密度和壓實密度低（磷酸鐵鋰極片的壓實密度約為2.3-2.4g/cm3，而三元極片可以達到3.3-3.5 g/cm3）。所以通俗地說，就是同等體積條件下，磷酸鐵鋰裝的少，自然容量就小，能量密度也就偏低。并且事實上，行業內的共識是磷酸鐵鋰自身的能量密度已經到了天花板，繼續大幅度向上已無可能。三元鋰電池的正極材料是鎳鈷錳（NCM）或鎳鈷鋁（NCA），以最常見的三元鋰電池來說，它就是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，經過一定的比例搭配而成的，并且這其中每個元素都發揮著重要作用，同時每個元素的特點也制約著電池性能。NCM具有和LiCoO2類似的α-NaFeO2型層狀巖鹽結構，屬六方晶系，空間點群 R3m。由下圖1可見，晶格中 Li 主要占據 3a 位置，O 則占據 6c 位置，形成 MO6 八面體結構，Ni、Co、Mn 無序占據 3b 位置，整個晶體可以看作由 [MO6] 八面體層和 [LiO6] 八面體層交替堆垛而成，非常適合鋰離子的嵌入與脫出。Ni2+(0.069 nm) 與 Li+(0.076 nm) 的半徑接近，Ni2+很容易進入間晶片占據 Li+ 的 3a 位置，Li+ 則進入主晶片占據 3b 位置，發生陽離子混排現象 (如下圖2)，導致晶胞參數 a 增大。在 Li 層的 Ni2+ 半徑小于 Li+，這將降低間晶片厚度，并在充電時氧化成 Ni3+ 或 Ni4+，造成間晶片空間的局部塌陷，增加放電過程中 Li+ 的離子嵌入難度，降低材料可逆容量。而 Li+ 進入過渡金屬層則會擴大主晶片厚度，并難以脫嵌，使材料電化學性能惡化。因此，間晶片厚度越小，Li+ 越難以重新嵌入。離子混排程度可用 c/a 值和 I(003)/I(104) 表征，當 c/a > 4.9 以及 I(003)/I(104) > 1.2 時，混排程度低。通俗點說就是，鈷（Co）能夠使鋰離子的脫嵌更加容易，提高材料的導電并提升放電循環性能，但是 Co 含量過高會導致成本較高，性價比低；鎳（Ni）可以提高材料的可逆容量，但是如果它的含量太高，材料的循環性能就會變差；錳（Mn）可以提高材料安全性和穩定性，含量過高則會降低材料克容量。優勢在于，憑借錳很強的結構支撐作用（三元材料結構不容易坍塌），搭配鎳對正極材料能量的提高，在相同體積的情況下，三元材料具有的電量比磷酸鐵鋰更多。此外，三元材料的另一個突出優點在于低溫性能，客觀地說，是由于磷酸鐵鋰的表現比較糟糕，才凸顯了三元的低溫表現。因為磷酸鐵鋰PO4極性太強，對Li束縛能力大，擴散系數就低。而三元材料則沒有這個問題，因此在低溫環境下，充放電受到的影響較小。劣勢在于，三種元素本身不耐高溫，極端情況下會釋放氧分子，同時其自身的循環壽命也較磷酸鐵鋰有差距，由此可見三元也并不是全場景通吃。熱穩定性確實是三元材料的一個痛點，元素結構使得其對氧的束縛低，這就需要在后天的電池設計中針對這個弱點加以特別關照，就好像車輛的保險杠一樣?？偨Y："補貼退坡"的因素讓新能源車企們不得不降本獲利，這也把磷酸鐵鋰電池重新拉回到大家視野中來。使用磷酸鐵鋰電池并不是技術上的倒退，因為它和三元鋰電池的關系好比是自吸和渦輪發動機，兩者并沒有"誰好誰壞"之分，只是運用的場景不同罷了。未來磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池會根據車型的定位產生分水嶺。為了權衡續航里程和售價這兩個重要指標，磷酸鐵鋰會在中低端產品上逐漸復活回暖。但反之，中高端產品要兼顧更多的使用場景和性能表現，三元鋰電池還會是主流的動力電池技術。本文來源于汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。