特斯拉采用的锂电池真的安全吗？

【编者按】本文作者弗雷刘，陶瓷材、锂电材料、动力电池、THU博士。现任职于清华大学能源互联网创新研究院，主要负责储能技术开发方面的工作。

作为在一个研究所工作的工程师狗，终于有机会在自己的领域说几句了。

首先纠正一个概念，“锂电”是我们一般说的“锂离子电池”的简称，而有些人说的“铁电”，其实是使用磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池，它是“锂电”的一种。

特斯拉为什么使用松下 18650 锂电池？

OK，现在开始回答，先说简单版通俗型摘要：

特斯拉使用的松下 18650 锂电池，以 NCA 为正极，并且设计了复杂的电池管理系统，从而尽可能保证和提高了电池工作的高效性与安全性。至于是否绝对的安全，这个无法回答，你如果想说自燃，我还想说汽油车夏天也自燃呢。

对于纯电动汽车（不考虑插电混动以及纯混，人家可以靠汽油开挂），我们最最纠结的是什么？里程焦虑，就是开不远，因为电池的能存储的能量密度太低，车用电池成组后现在一般也就 100~150Wh/kg 的能量密度，汽油的这个数值大概是 10000……所以哪怕你像乌龟一样背一车电池都不见得解决问题。大家天天吐槽电动汽车天天充电跑不远半路没电了怎么办，都是能量密度太低给害的。

现在 电池技术 的最大短板，就是能量密度太低，落后于摩尔定律无穷远……别扯那些锂空什么的，即使它们能量密度也不够高，关键是离实用还远……

所以至于为什么不采用磷酸铁锂电池，我想说，主要原因，应该是容量（Capacity 单位是 Ah），以及能量（Energy，即容量的 Ah 乘以电压，得到 Wh）偏低（磷酸铁锂容量比三元低一点，电压还低，只有 3.4V，所以乘出来的能量就更低了）。

实际的汽车用电池组都是串并联组合出来的，需要用串联来提高电压，此时，单节单池的电压以及不同电池之间的容量一致性显得非常重要，光说容量低是不严谨的。

本人的工作就是在国内某研究所做磷酸铁锂的某升级产品的研发，还同时乱看一些其它材料，锂电池和电动汽车的东西，所以在这里答一下。

（现在开始华丽地半学术地展开斯米达）

要对比几种正极材料，我们就必须引入这个图，即五个重要性能判据：

Power 功率，Life 寿命，Cost 成本，Safety 安全，以及 Energy 能量。

对比的材料是 NMC/NCA 三元材料 /NCA，LCO 钴酸锂，LFP 磷酸铁锂，LMO 锰酸锂。NCA 和 NCM 比较相近，算是材料中的近亲，因此在这里归为一类说。

LCO = LiCoO2 , layered, NMC = LiNixMnyCozO2 , layered, NCA = LiNi1-y-zCoyAlzO2 , layered, LMO = LiMn2O4 spinel, LFP = LiFePO4 olivine

从这个图中，我们可以看出：

• LFP 材料

Energy 能量最低（悲剧，容量低是一方面，3.4V 的低电压才是问题，反面例子就是镍锰酸锂尖晶石，电压 4.7V）。篇幅所限，就不在这里放充放电曲线了。

Power 功率一点也不低（在鄙研究所自制的中试级磷酸铁锂，5C 可以做到 130mAh/g 滴（当然 PHOSTECH 的也可以......）。包碳 + 纳米化材料倍率性能还是很强大的！

Life 寿命和 Safety 安全性最优，这主要得益于该材料中聚阴离子 PO43- 的结合作用，使得氧结合的更好，与电解液的反应活性低，不像三元材料那样更容易出现一些产生氧气鼓泡等现象。寿命上，一般认为可以>4000 次循环。

Cost 成本，磷酸铁锂还不错，成本上仅次于 LMO 锰酸锂材料（这个东西，空气烧，锰源又便宜），第二有竞争力。磷酸铁锂的原料，磷铁锂都比较便宜，但是做成纳米粉需要一些成本，热处理又要在惰性气氛下进行，种种工艺要求，导致该材料的成本（国产的大约 10W/t）不像 LMO 那么低（6~7W/t），但是比起 NMC（13W/t），LCO（更贵）还是便宜一些的。

原因：钴比镍贵（我国贫钴啊有没有），镍比锰铁要贵，用什么原料，有什么成本。

• 然后再对比分析以下 NCM/NCA 材料

能量 最有优势（电动汽车就想跑远点，这个最重要）。此外随着高镍 NCM 材料的研发推出，这个材料的能量密度还能有进一步的提升

功率 还可以（其实也够用了，对于纯电动汽车，能量比功率特性更为重要，对于丰田 Prius 这种混动车，功率特性才更重要，但前提是能量不能太挫）

寿命 ，也不错。之前的时候，三元材料可能寿命在 1000 次左右，但是近几年来随研发工作的进展，该材料的寿命已经可以达到 2000 周（好像标准是还能保持 80%还是多少，记不清了），这就已经很可观了，比如你电动汽车，一天一充，一年 365 次，2000 次够你 6 年了，好多人这时都打算换车啦。

成本 有点高（先承认这点）。

毕竟用了些镍钴金属，成本高点正常，但是这个材料至少比 LCO 钴酸锂便宜，所以以后在日常电子消费品领域，取代 LCO 材料还是比较有前途的。

安全差 ，尤其是相对于磷酸铁锂而言，NCM/NCA 材料充电时会往外冒氧气，使用中出事的可能性也高于 LFP 材料，三元材料电池安全性一直存在一些问题。

但是说到这里，电池里不只有正极材料，我们还可以通过电解液成分调节，隔膜优化（陶瓷隔膜神马）以及优化电池控制系统（冷却，安全防护）来减轻这个问题。虽然 NCM/NCA 材料的安全性一直算是个问题，但是还是有提高的空间和解决的办法的。说能完全解决安全问题的，我认为都是在耍流氓。电池控制系统，是尽可能提高安全度，不可能保证 100%安全。

哪个更安全？

所以在此对比一下这两个材料，最重要的能量密度上 NCM/NCA 完胜，寿命上 NCM/NCA 不差，安全上 NCM/NCA 差些，但是不严重，功率不算太重要，两者都不错，成本上 NCM/NCA 高一点。

• 但是在这里注意了：成本上 NCM/NCA 高，是单位质量的成本 (rmb/kg)。

考虑到单位质量的 NCM/NCA能量密度高(Wh/kg)，所以折合成单位能量的成本的话(rmb/Wh)，NCM/NCA 还更有优势一些，所以从单位材料的成本来单纯计算，结果可能是比较有欺骗性的。

说到这里，我忍不住要吐槽：你们天天嫌电动车贵，就是因为电池用的多，就是因为单位能量的成本（rmb/Wh） 这个数太高，其实真的很难降啊，我们都快喝西北风了啊啊啊啊==

• 另外一点，就是磷酸铁锂放电平台太平，不好做电池控制系统啊，NCM/NCA 这方面就要好些。

不过作为一名磷酸铁锂研究狗，我也得为我们的材料说几句话：在追求安全性、倍率性的场合，磷酸铁锂电池还是有优势的，尤其是请天天吵着电动车、电池不安全的人多为我们磷酸铁锂投票。

此外磷酸铁锂不需要用镍钴这些玩意，对于国家资源安全是有所帮助的（好吧，其实也用不太多，不过这产业一旦大了用量也可观）；

还有，磷酸铁锂材料毕竟寿命还是最好的，所以在某些要求时间的场合，它有优势（比如有的电池便宜，但是寿命可能只是磷酸铁锂的一半不到，折合使用时间后成本就不一样了，我才不告诉你是 LMO 呢），大家要学会算账。

在一些能量密度要求不是特别高的场合，磷酸铁锂还是有优势的，比如储能等新领域。当然，如果你对高电压磷酸锰铁锂材料有兴趣的话，我只想说四个字：请联系我。

所以，说来说去，为了让纯电动汽车跑的更远，能量密度更高的电池更受青睐。

参考文献： The Current Move of Lithium Ion Batteries Towards the Next Phase. Adv. Energy Mater. 2012,DOI: 10.1002/aenm.201200028