三元锂电池能量密度如何提高？安全性如何？

提升三元锂电池能量密度的关键在于提高正极含镍比例，同时要注意镍含量过高可能导致安全性下降。高镍含量电池因表面残碱增高、阳离子混排加剧等问题，易于燃烧爆炸。相比之下，磷酸铁锂电池虽然能量密度稍低，但具有高稳定性和较低价格的优点，安全性更高。而固态电池则通过使用固态电解质降低热失控风险，提高电化学窗口，进一步提升能量密度。当前电池行业三足鼎立，固态电池尚处于试验阶段，未来的竞争格局仍有待观察。

三元锂电池，能量密度可以做高，但是一旦太高就会不稳定，安全性存疑

固态电池，能量密度最高，但是量产是一个问题

磷酸铁锂电池，能量密度相对较低，到那时却最稳定最安全

目前市场上提高能量密度(或者体积能量密度)的方法分为两个流派

流派一是三元锂电池，不断提高正极含镍浓度来提高能量密度

流派二是磷酸铁锂，通过结构上的创新可以实现体积能量密度上的提高

流派三是固态电池，另辟蹊径，降维打击

汽车上的三元锂电池主要是以镍钴锰(NCM)或者镍钴铝(NCA)作为正极材料的一种锂电池，里面的镍钴锰或镍钴铝含量可以根据实际需求进行调整。

三元锂电池的主要优点在于其高能量密度和高导电率，而缺点也正是因为高能量密度，在极端的情况下(碰撞/电芯老化/短路)容易发生热失控，进而引发严重的自燃事故。

三元锂电池高能量密度如何来的

材料的选择决定了锂离子电池能量密度的理论值，正负极材料是锂离子电池的活性储能材料，提升能量密度的本质就在于提升正负极的电势差和材料的比容量。为了提高锂离子电池的能量密度，正极材料需要从三个方面考虑：一是高比容量的正极材料，比如高镍正极材料；二是提高正极材料的脱嵌锂电位从而实现高容量，比如镍钴锰NCM材料；三是开发工作电压高的材料，比如镍锰酸锂(LNMO)正极。

下表列出了部分正极材料的能量密度

因此，含镍越高(Ni>0.8)，电压越高(>4.5)，能量密度也就越大。比如上图的高能量密度811电池，还有常规的532电池都是三元锂电池。这里的811/532指的都是正极材料三种元素的比例。

结论就是，三元锂电池正极含镍越高，能量密度也就越大。

含镍越大，安全性如何

这里肯定就有人有结论了，既然含镍越多越好，那直接上10,0,0阵型可好，就跟当年切尔西打巴萨一样。有所不知，镍Ni含量超过0.8的NCM和NCA正极材料，会随着镍增高而造成表面残碱升高，阳离子混排加剧，强氧化性镍增多，氧析出现象明显等问题。

说人话就是：热稳定性降低，易燃易爆炸。市场上的高镍电池就有811系列产品，这款产品就在去年夏天出现了很多自燃事故。

众多事故也引发了监管层和汽车行业内对于一昧对高能量密度追求的思考：当前的动力电池发展方向是否过于激进，提高了汽车续航能力而增加了安全风险。

磷酸铁锂电池指的是锂电池的正极材料为磷酸铁锂。磷酸铁锂电池跟三元锂电池平分了动力电池的天下，而磷酸铁锂电池的优点就是高稳定性和价格低(价格比三元锂电池低20%左右)，但是能量密度则比三元稍小。

磷酸铁锂电池安全性如何而来

磷酸铁锂(LFP)电池热稳定性好，安全是其最重要的特点。他的热稳定性得益于其特殊的分子结构，LFP分子结构为一个八面体构成的空间骨架，结构中的磷酸基对于整个材料的框架具有稳定作用，因此LFP材料本身热稳定性和循环性能比较好。

下图是一个同时包含磷酸铁锂电池LFP，三元电池NCM镍钴锰和三元电池NCA镍钴铝的放热速率的实验。其中黑线是LFP电池，而红色是NCM111电池，蓝色是NCA电池，可以看出，在电池温度达到180度以后，三元电池(NCM/NCA)开始急剧的放热，而磷酸铁锂则静静躺在那，电池温度上升，放热速率也没有变化。

这意味着无论是开始放热温度，最大放热速率，最高温度，还是放热时间，磷酸铁锂电池都比三元锂电池有巨大的优势。但是尽管安全优势的存在，磷酸铁锂还是有一些不尽如意的地方，比如能量密度和低温性能比不过三元锂电池。

固态电池则是使用固体电解质，替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。而传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量，电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。

对比液态锂电池，固态电池具备以下优点：

1)固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低热失控风险；

2)固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池(4.2V)，允许匹配高能正极和金属锂负极，大幅提升理论能量密度；

3)固态电池可简化封装、冷却系统，在有限空间进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上，达到500Wh/kg。

目前固体电池仍处于相当实验室-中试阶段，其成本相较于液态电池仍不具备可比性。因此未来什么情况，谁也说不清。

目前电池行业三国鼎立，其中一国还在萌芽，未来谁将统一天下，让我们拭目以待。

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