Сравнение литий-ионных батарей NMC/NCA и LFP-батарей
| Jerry Huang
В настоящее время на рынке электромобилей существуют две основные технологии производства батарей: литий-железо-фосфатные (LFP) батареи и литиевые батареи на основе NMC/NCA. Эти два типа батарей конкурируют во многих областях применения/сценариях, и наиболее жесткая конкуренция наблюдается в индустрии электромобилей, которая потребляет наибольшее количество литиевых батарей в Китае.
Между этими двумя типами литий-ионных батарей давно ведутся сравнения. Сравнение экономической эффективности можно легко провести, сопоставив цены и отзывы рынка электромобилей, использующих указанные батареи. Но для лучшего понимания характеристик батарей давайте рассмотрим некоторые особенности батарей NMC/NCA и LFP, изучив экспериментальные данные и установив соответствующие условия.
Согласно экспериментам, проводимым в лабораториях по разработке аккумуляторов, производителями электромобилей и литий-ионных батарей, хотя результаты каждого теста могут незначительно отличаться, выводы об их преимуществах и недостатках, как правило, очевидны. Что еще важнее, рынок сделал свой выбор, и этот процесс продолжается.
Плотность энергии — при использовании современных технологий плотность энергии коммерческих одноэлементных литий-ионных батарей NMC составляет около 230–250 Вт·ч/кг, а батареи NCA от Panasonic достигают примерно 322 Вт·ч/кг; в то время как плотность энергии литий-железо-фосфатных батарей (LFP) в 2020 году в основном колеблется в районе 130–160 Вт·ч/кг, некоторые могут достигать 190 Вт·ч/кг, но превысить 200 Вт·ч/кг очень сложно (компания Gotion High-Tech в этом году добилась более высокого показателя в лабораторных условиях). Батареи NCA/NMC в основном применяются в автомобилях, которые потребляют меньше энергии и ориентированы на высокую скорость и большой запас хода. Теоретически, автомобили, использующие литий-ионные батареи NCA, могут проехать большее расстояние, чем автомобили, использующие такое же количество батарей LFP; а транспортные средства на базе LFP в настоящее время предпочтительно выбираются для городских автобусов, поскольку их запас хода невелик, и их можно заряжать на небольшом расстоянии в городах, где легко построить множество зарядных станций.
Занимаемое пространство — выбирайте BYD, если вам нужны автобусы, и Tesla для легковых автомобилей. Благодаря более высокой плотности энергии, один элемент батареи NMC/NCA может сэкономить вдвое больше места, чем батарея LFP, что очень важно для автомобилей с ограниченным пространством. Поэтому мы видим это на коммерческом рынке: Tesla фокусируется на батареях NMC/NCA, а BYD производит батареи LFP. Поэтому на китайском рынке электромобилей есть поговорка: «Выбирайте BYD, если вам нужны автобусы, и Tesla для легковых автомобилей». В марте 2020 года BYD анонсировала свой новый аккумуляторный блок LFP, экономящий 50% места по сравнению с предыдущим, и добилась положительных результатов продаж своего седана Han EV, оснащенного батареей Blade. В то же время Tesla представила свою новую модель Model 3, работающую на батарее LFP от CATL.
Безопасность — самое главное, что является основной причиной выбора литий-железо-фосфатных (LFP) батарей для городских автобусов. С момента выхода Tesla Model S на рынок произошло множество пожаров с участием автомобилей Tesla, хотя непосредственные причины возгорания могут быть разными. Одна из причин заключается в том, что аккумуляторный блок Tesla состоит из более чем 7000 литий-ионных батарей Panasonic/Tesla NCA. Если эти батареи или весь аккумуляторный блок выйдут из строя из-за внутреннего короткого замыкания, они могут вызвать открытое пламя, вплоть до крупного пожара, особенно при автомобильной аварии; к счастью, ситуация улучшается. При этом материал LFP гораздо менее склонен к возгоранию при коротком замыкании, а его термостойкость намного выше, чем у литий-ионных батарей NCA/NMC.
Устойчивость к низким и высоким температурам — Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи обладают лучшей устойчивостью к высоким температурам, в то время как батареи на основе NCA/NMC лучше подходят для работы при низких температурах. Приведу пример. При температуре -20℃ литиевая батарея NMC может высвободить 70,14% своей емкости, в то время как батарея на основе литий-железо-фосфатных (LFP) батарей — только 54,94%. Плато напряжения разряда у литиевой батареи NMC значительно выше и начинается раньше, чем у батареи LFP при низких температурах. Поэтому батареи NMC являются лучшим выбором для применения при низких температурах.
Эффективность зарядки — Эффективность зарядки литиевых батарей NMC/NCA выше, чем у батарей LFP. Зарядка литиевых батарей осуществляется методом регулирования тока и напряжения. То есть сначала применяется зарядка постоянным током, когда ток и эффективность зарядки сравнительно высоки. После того, как литиевая батарея достигает определенного напряжения, зарядное устройство переключается на второй этап зарядки постоянным напряжением, в этот период ток и эффективность зарядки низки. Для измерения эффективности зарядки литиевой батареи используется отношение емкости при зарядке постоянным током к ее полной емкости, называемое «коэффициентом постоянного тока». Экспериментальные данные по коэффициенту постоянного тока показывают, что существует небольшая разница между батареями NMC/NCA и LFP при зарядке при температуре ниже 10℃, но она значительно отличается при более высоких температурах. Вот пример: при зарядке при 20℃ коэффициент постоянного тока для литиевой батареи NMC составляет 52,75%, что в пять раз больше, чем у батареи литий-железо-фосфатного (LFP) аккумулятора (10,08 %).
Срок службы — Срок службы литий-железо-фосфатных (LFP) батарей лучше, чем у литиевых батарей на основе NMC/NCA. Теоретический срок службы литиевой батареи NMC составляет 2000 циклов, но её емкость быстро снижается, сохраняя 60% после 1000 циклов; даже самая известная батарея Tesla на основе NCA может сохранить только 70% своей емкости после 3000 циклов, в то время как литий-железо-фосфатная (LFP) батарея сохраняет 80% после 3000 циклов.
Приведенное выше сравнение дает общее представление о преимуществах и недостатках батарей NMC/NCA и LFP. Литиевые батареи LFP безопасны, обладают длительным сроком службы и хорошей устойчивостью к высоким температурам; а литиевые батареи NMC/NCA отличаются высокой плотностью энергии, малым весом, эффективностью зарядки и хорошей устойчивостью к низким температурам. Эти различия делают их двумя основными вариантами на рынке для различных применений.
В настоящее время производители NMC (никелево-обогащенных) и NCA аккумуляторов используют моногидрат гидроксида лития аккумуляторного качества в качестве источника лития для катодного материала. В производстве LFP-аккумуляторов гидротермальным методом также используется гидроксид лития, хотя большинство производителей LFP-аккумуляторов выбирают карбонат лития. Для справки, ниже представлена диаграмма потребления гидроксида лития на китайском рынке в 2018 году. 