今年年初，比亞迪通過刀片電池的針刺試驗，將磷酸鐵鋰離子電池重新拉回了人們的視野。通過這次的針刺試驗讓許多人了解到了，磷酸鐵鋰離子電池在安全性方面要比三元鋰離子電池更具有優勢。

和此同時，當時間來到2020年底，隨著氣溫的不斷下降，許多北方電動汽車主在網絡上開始吐槽電動汽車冬季續航衰減、充電速度變慢等用車問題。其中，采用磷酸鐵鋰離子電池的電動汽車，在低溫環境下的拉胯表現更是讓不少電動汽車主苦不堪言。

由此可見，不論是三元鋰離子電池還是磷酸鐵鋰離子電池都有其各自的優劣，不能單一的去說哪種電池好，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。

在動力鋰電池中，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子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。三元鋰離子電池的正極材料是鎳鈷錳（NCM）或鎳鈷鋁（NCA），磷酸鐵鋰離子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和生俱來的，這不會因為你把電池做成長方形或者圓柱形而改變。

穩定可靠的磷酸鐵鋰

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和生俱來的，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和兩個八面體LiO6共棱，另外一個四面體pO4又和兩個八面體LiO6共棱，這樣的結構使得鋰離子在充放電時可以自由移動。

優勢：

和此同時，高中化學知識告訴我們：磷酸鐵鋰中的p-O共價鍵的鍵能很大，所以穩定性很強，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。

所以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，磷酸鐵鋰離子電池要700°C左右才會發生熱分解）。這就解釋了為何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和循環性。這個特性讓能量型磷酸鐵鋰離子電池的循環壽命可長達3000-4000次，倍率型磷酸鐵鋰離子電池的循環甚至可達上萬次。

劣勢：

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，和三元材料相比，磷酸鐵鋰材料的放電比容量較低，且平均電壓也更低，因此磷酸鐵鋰離子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/cm，而三元極片可以達到3.3-3.5g/cm）。所以通俗的說，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。

密度高但怕熱的三元鋰

三元鋰離子電池的正極材料是鎳鈷錳（NCM）或鎳鈷鋁（NCA），以最常見的鎳鈷錳三元鋰離子電池來說，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用途，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重要占據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和脫出。

Ni2+(0.069nm)和Li+(0.076nm)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，新增放電過程中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/a4.9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，但是假如它的含量太高，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：

憑借錳很強的結構支撐用途（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，客觀的說，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：

當然三元材料也有自己的缺點，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相同。

總結

"補貼退坡"的因素讓新能源車企們不得不降本獲利，這也把磷酸鐵鋰離子電池重新拉回到大家視野中來。使用磷酸鐵鋰離子電池并不是技術上的倒退，因為它和三元鋰離子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。

未來磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池會根據車型的定位出現分水嶺。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，三元鋰離子電池還會是主流的動力鋰電池技術。