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    磷酸鐵鋰二十余載的風與雪——專訪中南大學胡國榮教授
    發布時間:2024-02-19 來源:未知     分享到:

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    胡國榮,中南大學冶金與環境學院教授,博士生導師,現任先進電池材料教育部工程研究中心技術委員會副主任,中國化學與物理電源協會常務理事,中國電子學會技術委員會委員,中國無機鹽協會鋰鹽分會專家委員會委員。


    主要從事鋰電池正極材料的研發及產業化,在國內率先實現鈷酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等正極材料的產業化,其科研成果孵化出多家正極材料企業。

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    磷酸鐵鋰電池市占率


    2021年是磷酸鐵鋰電池的逆襲之年,無論是產量、銷量還是動力電池裝機量,磷酸鐵鋰電池都正式反超三元電池。往后的時間里,磷酸鐵鋰電池繼續乘勝追擊,市場占有率不斷擴大,2023年上半年幾乎兩倍于三元電池。

    對于此現象,胡教授表示,磷酸鐵鋰電池本身的市場發展經歷了一些反復。早期磷酸鐵鋰占主流,2016年到2020年的時候三元反超磷酸鐵鋰,因為當時特斯拉推出了續航里程比磷酸鐵鋰高的電動汽車,使得這段時間三元成為主流。

    但是中國呢,因為早期像比亞迪他們主推還是磷酸鐵鋰,所以他們也做了很多的改進工作,特別是在電池結構方面,這個時候寧德時代也做了很多貢獻,特別是推出CTP。磷酸鐵鋰電池以前都有模組,CTP就是從電芯直接到PACK,把模組取消以后能量密度得以提高。后來比亞迪又推出了刀片電池,結構上得到進一步優化,電池能量密度更加提高。最近他們又推出了CTB、CTC。CTB是把電芯直接裝到車身里面,CTC是把電芯裝到汽車底盤,這樣的話空間利用率更加高,電池能量密度也更加提升?,F在磷酸鐵鋰電池的續航達到700公里、800公里都很常見了。所以由于這樣一些改進,導致磷酸鐵鋰電池的能量密度大幅度提升。

    還有就是,磷酸鐵鋰的安全性確實比三元要好很多,所以現在包括特斯拉也開始采用磷酸鐵鋰電池。另外,它的循環壽命也非常高。再者就是成本,中國對于三元的鎳、鈷都比較稀缺。

    綜合能量密度、成本資源和安全性、循環壽命等這幾個方面的原因,磷酸鐵鋰電池的優勢更加明顯,所以它的市場份額越來越多。

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    磷酸鐵鋰工業生產路線


    目前,磷酸鐵鋰現有的生產技術路線,像草酸亞鐵路線、氧化鐵紅路線、磷酸鐵路線等等,這些路線孰優孰劣?還有何可以改進的地方呢?

    關于這個問題,胡教授表示,磷酸鐵鋰最早是草酸亞鐵路線,后來又推出了氧化鐵紅路線,而現在磷酸鐵路線成為了主流。當然像德方納米還有個硝酸鐵路線,此外,還有其他的一些非主流的像水熱法等路線。

    整體來講,現在磷酸鐵路線是主流的技術路線。磷酸鐵路線之所以成為主流的技術路線,因為它本身的工藝比較環保,收率比較高,像草酸亞鐵路線的話它的收率很低,只有百分之五十幾,而磷酸鐵路線的收率可以達到百分之九十左右。還有個關鍵的原因就是磷酸鐵做的產品的性能非常好,所以現在像裕能、萬潤、比亞迪、邦普他們都選的這個路線。

    此外,胡教授也提到,其他路線也有企業在做,比如說草酸亞鐵路線。胡教授的一些學生們在做的,像富臨精工,他們做的效果挺好,產品性能甚至比磷酸鐵路線做的還有優勢,比如壓實密度是行業里目前最高的。但是草酸亞鐵路線成本比較高,現在面臨比較大的壓力。氧化鐵紅路線的話,產品性能上要差一點,但是成本上稍微有一點優勢,在儲能市場等對成本比較敏感的領域還是有一定的市場份額。硝酸鐵路線的話,就德方納米一家企業在做,產品性能也不錯但是環保壓力比較大。

    所以磷酸鐵鋰每個路線都有它的優缺點,但是目前從主流來看,磷酸鐵路線綜合起來優勢更明顯。

    3

    磷酸鐵鋰電池回收


    與三元電池相比,磷酸鐵鋰電池回收利用率低,缺乏盈利點,甚至之前進行再生材料回收處于虧本狀態,導致很少有人關注磷酸鐵鋰電池的回收問題,但它最終還是要回收的。關于磷酸鐵鋰電池的回收問題,胡教授表示,磷酸鐵鋰的回收,實際上在早期,特別是在2020年以前,沒人關注這個東西。因為當時碳酸鋰價格很低,比如說2020年碳酸鋰的價格只有三萬八、四萬左右,那個時候磷酸鐵鋰價格也只有三萬多塊錢一噸,所以那個時候回收的話它價值不高,基本上都是回收三元材料,因為三元材料鎳、鈷價格高。

    但是到了2022年,磷酸鐵鋰的回收也比較火,包括磷酸鐵鋰的黑粉回收價格也很貴,主要是因為碳酸鋰價格很高,2022年最高的時候磷酸鐵鋰價格也是達到了十五六萬一噸。這個時候回收磷酸鐵鋰主要是回收鋰,因為鋰的價格高,但是從環保的角度來講,未來只回收鋰,磷、鐵不回收的話會產生大量的磷鐵渣,目前很多做磷酸鐵鋰回收的企業,他們把磷鐵渣都堆在那里也沒來處理。

    所以整個來講,磷酸鐵鋰電池因為性能非常優越,循環壽命非常好,所以很多電池回收公司把回收回來的電池先是拿來做梯次利用,但梯次利用用完了以后這種電池還是要回收。哪怕未來碳酸鋰價格降到四五萬一噸,當然也不知道會不會有這么一天,但是碳酸鋰價格下降是大勢所趨,未來降到十萬以下甚至五六萬也是有這種可能。這個時候磷酸鐵鋰的價值就不高了,但不能說磷酸鐵鋰價值低就不回收,還是要回收。但這個時候的回收講究一個綜合回收的問題,除了鋰的回收,鐵、磷也要回收,現在很多企業、科研院所也在做這方面的工作。

    但是目前磷鐵渣的回收有個難點就是里面的鋁,因為正極片是涂覆在鋁箔上面的,那么磷鐵渣中鋁的含量比較高。如果說把鋁的這個問題解決,磷酸鐵的回收也是可以做到的。在這方面,胡教授的一些學生們也在做,通過把鋁的含量降低基本上也能解決磷酸鐵的回收問題,只不過成本稍微高一點,但是現階段碳酸鋰價格在二十幾萬一噸的情況下,回收還是有利可圖。

    當然未來的話,胡教授認為,如果說磷酸鐵鋰價格降得很低的時候,那可能回收這些電池就不要錢了或者倒找錢都有可能。

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    磷酸鐵鋰電池性能提升


    雖然磷酸鐵鋰與其他鋰離子電池正極材料相比,更加安全、更加環保、成本更加低廉,但是仍然存在著致命的弱點,比如振實密度與壓實密度很低,導致鋰離子電池的能量密度較低;低溫性能較差;大電流放電性能差等。那么往后磷酸鐵鋰電池性能提升的研究方向在哪呢?

    對此,胡教授說出了自己的看法。胡教授認為,磷酸鐵鋰電池現在基本上已經能夠滿足我們的需求,當然滿足的需求背后也還是有一些缺陷。比如說低溫性能比較差,特別是在北方零下二三十度的時候,電池放電放不出來或者放電只有平時的百分之八十。針對這個缺點,一些電池企業包括一些車廠也做了很多的改進,包括前期預熱、電池結構改變,基本上也還能夠克服。當然在極端溫度下,零下四五十度可能會難度比較大,不過在零下幾度到零下二十度之間應該是沒問題的。

    還有個問題就是,磷酸鐵鋰電池快充的話還是有一點小問題,當然現在像比亞迪、寧德時代也做了很多工作,比如說十分鐘或者五六分鐘充一下可以跑個一百公里以上,應急的話還是可以的??斐湟龅胶芡昝?,可能還是有一定的難度。

    其他的就是從成本上來講的話,磷酸鐵鋰目前價格還是偏高。雖然目前磷酸鐵鋰電池在電動車里面應用基本上也還可以,特別在2022年價格那么高的情況下,車廠的產量還是增長非???。但是如果磷酸鐵鋰電池要大規模的應用到儲能市場的話,儲能市場對成本比較敏感,所以磷酸鐵鋰電池降本還是有迫切的需求。當然現在關鍵還是原材料價格太貴,如果說有朝一日碳酸鋰價格能夠降下來,磷酸鐵鋰電池的成本也能夠降下來。

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    二十余年,專注于磷酸鐵鋰


    據粉體網了解,胡教授研究磷酸鐵鋰已有二十余年,當年比亞迪第一批磷酸鐵鋰的樣品就是由胡教授提供的。當小編問到胡教授這些年來在磷酸鐵鋰方面最大的成就是什么時,胡教授謙虛而又低調的表示,不能光談及其個人,整個行業都在從事這項工作,做了很多的貢獻。

    中國人真正的磷酸鐵鋰產業化是從2004年、2005年左右開始,胡教授表示其本人從2001年就開始帶學生做這方面的論文。整個全球的話,最早是1997年,Goodenough教授發明了磷酸鐵鋰材料,2003年左右,像美國、加拿大就開始做產業化。我們國內也差不多同步,胡教授是2004年、2005年開始做中試,比亞迪當時在實驗室的電池樣品,就是胡教授提供的,從幾公斤、幾十公斤到幾百公斤。在做的過程中也經歷了很多的反復,特別是技術路線的話當時也不確定,每家企業、每個科研單位選擇路線也不一樣。通過百花齊放、多種路線的競爭,現在的話性能提升很大,成本也大幅度下降。

    胡教授還提到,2004年、2005年的時候,當時從國外,比如加拿大去買磷酸鐵鋰的話,報價是40萬人民幣以上一噸,而現在如果碳酸鋰不漲價的話,像2020年磷酸鐵鋰也就是三四萬一噸。所以磷酸鐵鋰通過這20年的發展,性能得到了大幅度提升,成本有了大幅度下降。

    此外,磷酸鐵鋰產業的發展也帶動了一些其他行業的發展,胡教授舉了個例子,比如說裝備行業,現在砂磨機行業就是被磷酸鐵鋰拉動起來的。砂磨機行業技術進步也很快,早期容量可能就幾十升,現在已經做到了上千升的大型化。同時,砂磨機價格也大幅下降,原來一臺幾十升的砂磨機都要幾百萬,現在一千升的砂磨機可能也就只要兩三百萬。此外,包括窯爐裝備,還有干燥裝備等等,還有產線的自動化,磷酸鐵鋰整個行業的進步應該是非常大的,這也是中國整個電池、電池材料產業發展的一個縮影。那么為什么國外沒有做起來,因為國外這些產業不配套嘛!中國磷酸鐵鋰產業,從裝備來、原材料來講,基本上已全部實現國產化。中國的發展包括胡教授個人的工作,可以說是推動了整個行業發展。

    6

    胡教授近期科研成果和產業化轉化


    采訪的最后,胡教授也是跟我們分享了他及課題組最新科研成果和產業化轉化項目。

    胡教授談到,中南大學作為一個學校,在科研方面也是做了很多的工作,在應用方面做的也不錯。胡教授本人也是一直從事產業化方面的工作,從早期的鈷酸鋰到三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰,產業化進程從0到1,胡教授也都參與了過程中的很多工作,為行業做了一定貢獻。

    目前的話,胡教授要做的工作一方面是能不能夠開發一些新一代材料,因為這也是大學的使命,它必須要創新。所以胡教授也在進行一些鈉離子電池、新型電解液、固態電池方面的研究工作。

    此外,胡教授針對磷酸鐵鋰材料現有材料進行一些改進提升,比如磷酸鐵鋰材料的降本工作,主要是從原材料方面做一些改變;裝備方面,在裝備的大型化、自動化、智能化方面做一些工作;材料性能方面,提高磷酸鐵鋰的壓實密度、低溫性能。

    材料能量密度提升方面,主要是做了一些磷酸錳鐵鋰方面的工作。三元材料的話,主要單晶化等方面的工作。還有就是圍繞著企業做一些改進工作,比如說產品的升級換代方面。

    總的來說,胡教授及其團隊目前的工作主要分為兩方面,一個是現有產品的升級換代,第二個就是新一代、前沿產品的開發。



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