百年电池产业将迎来巨变？

导读：从铅酸电池开始，人类在电池的研发和生产已有百多年的历史了。当前的动力电池赛道中，锂离子电池是当之无愧的王者。

上海国际车展正如火如荼地进行中，产业链上的各大巨头纷纷借着这个“东风”向外界传递最新的行业信号。

在新能源汽车和储能产业火爆增长的大背景下，动力电池行业更是站在了舞台的正中央，成为万家瞩目的焦点。

从铅酸电池开始，人类在电池的研发和生产已有百多年的历史了。当前的动力电池赛道中，锂离子电池是当之无愧的王者。

据中国汽车动力电池产业创新联盟的数据，今年2月，我国动力电池装车量21.9GWh，同比增长60.4%。其中，三元锂电池装车量6.7GWh，占总装车量30.6%，同比增长15.0%；磷酸铁锂电池装车量15.2GWh，占总装车量69.3%，同比增长95.3%。

这不仅是中国市场独有的现象。有国外市场调研机构预测，从全球来说，磷酸铁锂的发展速度也将大大超过三元锂电池，2024年或将达到世界动力电池装机量的近六成。

看得出相对三元锂来说，磷酸铁锂电池行业的后劲更足。

三元锂和磷酸铁锂都是典型的锂离子电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来进行充放电工作。不同的地方在于磷酸铁锂电池在能量密度和在寒冷条件下的储电量相对前者也更差些，但在安全性和使用寿命上更占优势。

两者最大的区别还在于成本上。这主要源自于磷酸铁锂电池不需要钴、镍这类价格高昂的金属，而三元锂的性能提升则主要来自这类稀有金属的加持。按照乘联会的数据，单从正极材料看，一辆新能源电动车需要的磷酸铁锂电池成本只有三元锂电池成本的一半左右，价格优势相当明显。

一种产品的销售成绩往往在于是否精准找到了成本和性能的平衡点，从当前市场表现来看，磷酸铁锂的发展前景非常广阔。

当前我国企业在磷酸铁锂电池领域占据了产量和技术“双领先”的高地。

比亚迪的刀片电池和宁德时代的麒麟电池（其也可是三元锂）就是其中的典型代表，在至关重要的能量密度、低温性能等参数上都有非常好的进步。

磷酸铁锂电池凭借性能进步和成本低廉，看上去将一往无前地逐步占据更大市场份额，然而随着科技步伐的前进，磷酸铁锂电池同样也会面对新的挑战。

其中，钠离子电池和氟离子电池是当前全球电池科研最前沿的方向。

走磷酸铁锂的路

让磷酸铁锂无路可走？

关于钠离子电池的介绍，我已经在上周的文章 《钠离子电池风口渐起》 中进行了较详细的说明，本文关注的重点是氟离子电池。

和钠离子电池已经出现在量产汽车中不同，氟离子电池更多地还停留在“纸上谈兵”的阶段。

但正如前文所述，如果我们顺着磷酸铁锂的思路思考，当制造动力电池的原材料中越来越不需要稀有昂贵且储量更集中的金属锂时候，磷酸铁锂电池的成本优势也将逐渐褪色。

而且这一切都会发生得很快。要知道仅仅在2019年，三元锂电池还占据国内市场接近90%的装机量，而今年一季度已经快不足三成了。

到底什么是氟离子电池呢？

和锂电池和钠离子电池工作原理类似，但所用介质不同，氟离子电池通过氟化物离子（F-）在正极和负极之间移动实现充放电。

据中国科学技术大学马骋教授课题组的论文（2021，Small），从理论上说F-比起其它“非锂”离子都更有希望在电池中实现接近Li+的循环性能。

氟离子相对锂离子来说具备三大优势：

第一、F-相比锂离子来说更加稳定，不容易引起引发类似锂电池中枝晶生长的安全隐患。理论上的安全性表现要更好。

第二、氟离子电池理论上的能量密度远超锂离子电池。据日媒报道，其能量密度可达到锂离子电池的6到10倍，从而能在相同重量和大小下，储存更多的电力。能量密度是当前动力电池的核心参数，极为重要。

第三、氟元素在地壳中的丰度是锂的50倍左右，意味着开采和使用的综合成本也具备相对优势。

但以上这些优势多出自于数篇学术论文中，和钠离子电池相对成熟的产研体系和相对完善的材料配置相比，氟离子电池离真正量产还有很长的路要走。

参照锂离子电池和钠离子电池的构成材料，动力电池一般需要由正、负极材料、电解质、隔膜和集流体装配而成。从成本上讲，正极占比最大。

当前氟离子电池研究中最大的问题就是在于无法找寻到上述这些构件的最佳组合和最有效方案。

举个例子，据《日经中文网》微信公众号报道，日本立命馆大学的准教授冈崎健一团队去年9月发布了分析氟离子电池的电极和电解质材料的组合如何影响电极反应的论文。

其中，用于正极的铋与氟离子直接产生反应，电极的体积发生改变。而用于负极的铅溶解于电解液，与氟离子产生反应，存在结晶析出等诸多问题。这些会引发电池性能出现严重衰减、使用寿命严重下降等问题。

上文中马骋教授团队最新的研究成果虽然在氟离子固态电解质领域找到了一个可行的方案，在电池循环次数和容量保持率中取得了很大的进步，但依然还需要找到性能真正令人满意的正负极材料才能谈论下一步的产业化可能。

尾声

单位体积中所储存的能量，即能量密度，依然是所有类型动力电池所要面对的最大难题。

和汽油等液体燃料相比，当前最先进的磷酸铁锂和三元锂的能量密度依然差距巨大。理论上，氟离子电池的能量密度具备很大的优势，理应是动力电池行业当前发展的重点方向之一。

同时，日本的车企和学界在氟离子电池领域内的研发投入巨大，近几年的成果也颇丰。

对宁德时代和比亚迪等我国的巨头来说，动力电池任何赛道的科学研究竞赛都无比重要，期待更多中国企业和研究机构能为在氟离子电池领域获得更多的成果，续写电池行业百年的历史，为全人类的可持续发展进一步添砖加瓦。

本文参考论文：A Fluoride-lon-Conducting Solid Electrolyte with Both High Conductivity and Excellent Electrochemical Stability. Wang et al., 2021. Small.