技术干货丨两轮电动车锂电化，磷酸铁锂王者归来

    两轮电瓶车的锂电化趋势不可逆转，锰酸锂、三元锂、磷酸铁锂争抢销售市场，哪一种材料将获得最高的市场占有率？

    在锂电池行业，可反复充电的锂离子电池（下文简称“锂电池”），根据正极材料的差异，主要区划为区划几类:

LiCoO2钴酸锂（LCO）、

LiFePO4磷酸铁锂（LFP）、

LiMn2O4锰酸锂（LMO）、

LiNixCoyMn(1-x-y)O2镍钴锰LiNixCoyAl(1-x-y)O2镍钴铝三元锂（NCM/NCA）

    负极材料，大部分以碳材料为主，近些年逐渐往硅材料发展，因此 锂离子电池行业不以负极材料作为电池类型区划的根据（钛酸锂电池除外）。

    本文不论述锂离子电池的工作原理，仅让大家知道锂电池的种类及特性，普及化一些基础知识。

    1991年，日本索尼公司将可反复充电的锂离子电池规模性商品化，把几节钴酸锂18650圆柱形锂离子电池装进索尼新款的CCD-TR1摄影机里，改变了世界消费类电子设备的商业生态。

    自此以后，以钴酸锂（LCO）作为正极材料的锂离子电池获得了迅速的商品化普及化，规模性运用到手机、MP3/MP4、手提电脑、蓝牙设备、平板电脑、电动工具等各种便携式电子设备。

    1996年Padhi和Goodenough（古迪纳夫）两人发觉具备橄榄石构造的磷酸铁锂（LFP），比别的的正极材料更具有稳定性，磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料，真正踏入了大家的视野。

    2001年，加拿大的Photech首先实现了磷酸铁锂材料的批量生产，紧接着美国的Velence公司发觉了碳包覆和碳热还原技术，使得磷酸铁锂材料的使用性能获得更进一步提高。

紧接着，美国的A123公司（已被我国的万向集团收购）发觉了离子掺杂和纳米化技术，提高了磷酸铁锂的导电性，磷酸铁锂电池得到规模性商品化。

    2004年，磷酸铁锂材料引进我国，鉴于其特有的热稳定性和安全性能，尤其适用新能源汽车行业，获得了比亚迪的大力发展运用，并获得了国轩高科、力神、宁德时代等企业的紧跟。

    对锰酸锂原材料（LMO）的科学研究，要远早于磷酸铁锂（LFP）原材料，1975年，三洋公司在过渡金属氧化物电极材料获得攻克，Li/MnO2一次电池研发取得成功，用在CS-8176L型计算器上。

    尖晶石型锰酸锂LiMn2O4是Hunter在1981年最先制取的具有三维锂离子通道的正极材料，自此始终受到普遍科学研究。

锰酸锂原材料（LMO），鉴于成本费用便宜，热稳定性高、耐过充特点好、高工作电压的四大特点，是锂电池新产品研发的热门。

    在海外，2007年成立的日本AESC公司（已被中国的远景新能源收购）就主攻锰酸锂原材料，其制造的锰酸锂电池，从2009年开始大批量安装在日产leaf（聆风）车型上，截止到2020年底，全世界总销售量约50万辆。

    国內的盟固利、星恒电源等公司，在锰酸锂电池方面也做了多年探寻，并在新能源汽车、两轮电动车等行业完成了大范围商业化运用。

    1999年来自新加坡国立大学的ZhaolinLiu等人初次指出不同成分的三元层状Li(Ni,Co,Mn)O2原材料，根据Ni-Co-Mn的协同效应，综合了钴酸锂（LCO）循环特点好，镍酸锂（LNO）高比容量和锰酸锂（LMO）低成本安全系数好的特点。

    本世纪初，归功于对高能量密度、长寿命电池的需求量，以镍钴锰原材料（NCM）和镍钴铝原材料（NCA）为正极的锂电池获得大范围商业化运用。

    尤其是在追寻长续航里程的新能源汽车行业，NCM/NCA三元锂电池获得了大范围普及化，特斯拉选用松下的NCA三元锂电池，宝马、大众等公司选用了三星、LG的NCM三元锂电池，国內的企业普遍走NCM三元锂路线，宁德时代的NCM三元锂电池，技术已经到达世界顶级水准。

    在锂电池的四大关键原材料中，鉴于钴酸锂（LCO）原材料当中金属钴的含量最高的，钴是稀有金属，产地集中，价格昂贵，所以钴酸锂电池的成本费用也是最高的的，只适合制成小电池，符合便携式电子设备的需求量，不适合制成大电池，运用于动力和储能行业。

    在大动力（四轮汽车）和小动力（两轮/三轮）行业，锰酸锂、三元锂、磷酸铁锂都有大范围的运用，根据仔细分析它们的优缺点，才可以把握未来的发展趋向。

    锰酸锂原材料的突显优越性是安全系数好、低成本。

    锰酸锂不含金属钴，因此 原材料成本费用是十分低的，制备锰酸锂的二氧化锰，储藏量充足，分布广泛，成本费用低廉，这对锰酸锂电池的全面推广有非常大帮助。

    次之，锰酸锂的热管定性好，高温度下也没那么容易分解和热失控，安全系数好，尤其适用于对安全系数要求较高的动力行业。

    锰酸锂电池的首要缺陷是高温度特点差，循环寿命短，高温度下容易发生正极材料的融解，造成电池的容量发生迅速下降，循环寿命迅速衰减。与此对应，锰酸锂的低溫特点很好，在零下30℃仍能保持较好的活力，可进行充放电使用。

    因此 锰酸锂电池不太适用温度较高的南方地区，十分适用长期气温偏低，冬季寒冷的北方地区。

    此外，锰酸锂的倍率特点好，也适用主打快充产品的市场，自然必需得解决散热难题，否则循环寿命衰减太快，会造成充电速度越快，寿命越简短。

    三元锂原材料的突显优越性是比能量密度高。

    在三种原材料中，三元锂的比能量密度是最高的，比如811原材料的三元锂电池，单体能量密度可以达到300Wh/kg，几乎是锰酸锂和磷酸铁锂的双倍，具有辗压性的优越性。

    因此 三元锂电池尤其适用于体积小、重量轻的应用领域，可获得最高的能量存储和最远的续航里程，比如纯电动乘用车、电摩等。

    三元锂的低溫特点与锰酸锂类似，在低溫下仍能保持较好的活力，而高温度特点明显好于锰酸锂，在高温度下工作，循环寿命不会发生迅速衰减。

    因此 三元锂的工作温度范畴很宽，可满足南方和北方的各种天气状况。

    三元锂原材料的突显缺陷是成本高，安全系数差。

    由于钴、镍、铝的价格都十分贵，因此 三元锂原材料的价格自始至终只高不降，在民用级市场推广存有非常大的价格弱势。

    三元锂原材料，在高温度下的稳定性很差，遇热容易分解并释放氧气，引起电池热失控，发生燃烧或爆燃。

    镍含量越高的三元锂电池，能量密度越高，可是安全系数也越差，因此 能量密度和安全系数在三元材料上是十分矛盾的。

由于成本费用和安全系数两个阻碍，三元锂电池的应用有非常大的局限。

    磷酸铁锂材料的突显优点是成本费用低、长寿命、安全系数好。

    归功于其出色的热稳定性和结构稳定性能，磷酸铁锂电池的安全系数显著好于三元锂。

    因为铁元素储藏量极大，磷酸铁锂的价钱是各种正极材料当中最实惠的。

    在循环寿命方面，磷酸铁锂也具备显著的优点，储能用的长寿命磷酸铁锂电池，循环寿命可以做好6000~8000次循环，动力用的磷酸铁锂电池，循环寿命也可以做好3000次左右，这一点是锰酸锂和三元锂无法相比的。

    磷酸铁锂的缺陷主要是低温特性不佳，0℃以下充电困难，-20℃以下基本上放电也够呛了，这个缺陷导致磷酸铁锂电池不太适用北方地区的冬季运用，客户体验很很差。

    尽管也可以根据对正极材料和电解液完成改善，改善低温特点，可是也会带来成本的增多，并牺牲其他方面的特性。

    根据上述解析，咱们对锰酸锂电池、三元锂电池、磷酸铁锂电池做个量化的打分。按照百分制完成打分，评定标准是单项表現最优者为100分，将各单项完成累加，得到总成绩。

    从单项评估结论看来，磷酸铁锂拿了4个单项冠军，三元锂拿了两个单项冠军，锰酸锂拿了1个单项并列冠军。

    从总得分看来，磷酸铁锂的成绩最高的（510分），次之是三元锂（460分），末尾是锰酸锂（420分）。

    磷酸铁锂电池，仅在两个单项上面没拿到首位，分别是能量密度和低温特点。

    在两轮电动车市场，能量密度并不是车厂和用户要求的主要特性，因此并不构成磷酸铁锂电池推广应用的阻碍。

    磷酸铁锂电池只要处理低温运用短板，能做好-20℃充电，且-20℃放电容量维持率做好50%上述，就可以覆盖北方绝大多数地区。而要做好这一点，实际上并不存在技术上的困难。

    从上述解析可以看得出，未来能够占领两轮电动车锂电池市场头部份额的，非磷酸铁锂莫属。王者回归，磷酸铁锂电池，不仅要在新能源汽车市场绝地反击，也会在规模化极大的两轮电动车市场变成主宰。

    深圳市百耐信科技科技有限公司是一家集研发、制造、销售与技术服务为一体的国家高新技术企业。公司2010年成立于深圳市，经近十年的发展建立并健全了高质量的目标管理体系，专门为新能源锂电组装以及制造领域提供整套的生产设备与技术服务。公司秉承百分百投入，耐心服务，值得信赖的经营理念，不断开拓创新，拼搏进取，我们致力于成为优秀的新能源锂电池组装设备与技术服务商。

    随着18650电池在新能源领域的广泛应用，自动化设备成为电池企业核心竞争力之一。作为国内设备企业的代表企业，百耐信科技根据电池模块组的特点，自主开发了锂电池PACK自动化装配线系统：该系统集成了锂电池贴纸系统、分选测试系统、电池组自动组装系统、CCD视觉识别系统、自动点焊系统。选用全自动上料、自动分选机构，保证产品采用电芯一致性的同时，可全自动扫描获取电芯条形码，并与PACK条形码做好等级划分然后绑定和记录，结合MES系统能够完整追溯产品生产制造的数据信息。

    现阶段该装配线已实现电池及模组在上料、分捡、组装、焊接、测试等环节的全过程自动化，节奏稳定。现阶段在生产关键步骤中增加了自动检测系统、自动校验、自动处理系统，完全使用机械手替代了传统式人工的繁杂作业，确保了产品品质的稳定性。目前实际运营数据表明，生产线整体运行安全稳定、处理效率高、生产产品品质稳定。

    该系统具有对整个生产制造过程的所有测试数据进行采集和管控统计，让计划层和控制层进行信息交互，实现对生产过程中的测试结果和数据进行有效追踪和品质管控，真正实现锂电池组组装生产的信息化和自动化的“两化”融合，使锂电池组组装向“工业4.0”迈进。

    本系列产品为双面自动焊机，效率高；采用9轴纯电动伺服电机，支持阵列与非阵列电池组快速编程。编程界面操作简单，支持CAD导图，阵列，手动三种；并支持任一点位编程和阵列编程，可存储编程文件任意组。且支持断点启动功能。

    独家定制的可旋转180°焊头，焊头轻巧，有效防止因焊头过重导致焊接电池变形、漏液问题。旋转焊头结构可支持异型电池组及有效纯镍片粘针问题。焊头采用水循环散热，能有效降低焊针损耗，提升焊接效果。

    本系统具备焊针使用次数记录、报警、与清零功能。支持焊针更换预报提醒，19寸显示屏，搭配工控机，可实时将焊接参数及异常焊点采集并显示出来，并可实时采集焊接结果。自带焊接电流监控系统，有效杜绝虚焊、假焊现象。具备对焊点的假焊、漏焊监测记录，焊接的所有参数都可追溯跟踪，方便数据管理。

    可单独调节单点焊、两点焊、三点焊，并且两点焊与三点焊的间距可调节。焊针压力亦可独立调节。并且支持同时切换焊接能量、正负极焊接能量切换功能。

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    独家定制的可旋转180°焊头，适用点焊任意角度镍片分流槽方向，焊头轻巧，有效防止因焊头过重导致焊接电池变形、漏液问题。旋转焊头结构可支持异型电池组及有效纯镍片粘针问题。焊头采用水循环散热，能有效降低焊针损耗，提升焊接效果。

    本系统具备焊针使用次数记录、报警、与清零功能。支持焊针更换预报提醒，19寸显示屏，搭配工控机，可实时将焊接参数及异常焊点采集并显示出来，并可实时采集焊接结果。自带焊接电流监控系统，有效杜绝虚焊、假焊现象。具备对焊点的假焊、漏焊监测记录，焊接的所有参数都可追溯跟踪，方便数据管理。

    可单独调节单点焊、两点焊、三点焊，并且两点焊与三点焊的间距可调节。焊针压力亦可独立调节。并且支持同时切换焊接能量、正负极焊接能量切换功能。

    可选配焊头内置进口压力传感器，可实时监控压力值及自动追踪补偿，保证焊接过程中焊接压力一致性。

    本公司逆变直流点焊机系列均采用数字化设置焊接参数，通过键盘操作清晰明了，方便快捷操作简易。可支持10组焊接参数的存储，方便多种焊接品种的快速切换。支持焊接电流锁定技术，防止电网电压波动影响焊接电流。

    本公司逆变直流点焊机系列的逆变桥采用软开关技术，可大幅减少开关损耗以及减小电磁干扰。并且支持电流异常的声光报警，监控值超限、网压超限、过热等故障诊断与报警功能，能有效的防止虚焊、假焊现象。支持DSP芯片控制，具有恒压指令输出和恒电流输出两种工作方式。且支持技术功能，可对焊接次数进行统计，方便了解工作效率。

    本公司自动分选机系列产品自带高精密内阻、电压、自动测试系统。设备能根据设定好的内阻电压值，将电芯精准的送到指定的档位。并且分选速度快，稳定性高，可使每颗锂电池性能高度一致。大料斗可上500支电芯，生产效率大大提高。

    本司自动分选机系列操作界面简单明了，易于操作，设计非常人性化。并且支持与自动贴青稞纸机对接使用，可大大节约人工，提高效率。可适用电池型号包括：18650、26650、21700、32650、18730.。适配性非常强！

    本公司贴纸机产品采用伺服电机运动控制器与气动控制相结合，冲压刀模不粘胶，能循环工作，青稞纸贴合牢固，贴合一致性很好，可提高后期自动化点焊效率。

    本贴纸机投放电芯料斗可一次性上500支电芯，自动化上料，使得工作效率高。并且采用7寸触摸屏设计，调试简易操作方便。每个按钮清晰明了，分类清楚，方便调试与操作。单此冲垫4PCS，可与自动分选机对接使用，大大节约人工。可适用电池型号包括：18650、26650、21700、32650、18730.。适配性非常强！

    本公司视觉CCD检测设备可通过CCD视觉识别方式判定电池组的电芯不同方式组合后电芯正负极的正反方向，并输出判定结果。以便快速确认所有电池组的全部电芯的正负极摆放是否正确。并且可支持自动启动及手动启动模式。

    该设备采用1000万像素高清定焦镜头，设备的最大检测范围为500mmx360mm，该设备编程简单便捷，可根据电芯的不同组合方式设定判定标准，可存储编程文件任意组。检测性能稳定可靠，效率高，可大大提供生产效率并降低错误率。

    百耐信-动力电池组综合测试系统功能支持：充电激活、单串压差测试、单串内阻差测试、充电电压、充电电流、充电△V充电DCR测试、充电过流保护、交流内阻（ACR）测试、直流内阻（放电DCR）、放电电压、放电电流、放电△V、放电过流保护、放电过流恢复、短路保护功能、短路激活充电等多项综合功能测试。

    综合测试仪电池放电电流增加两个档位，能快速看出两个测试结果差距。并且可以根据电池属性不同，在过流测试时，如果达不到过流测试起始电流，电池将自动进入保护状态。综合测试仪支持设置测试电流上限，电池过流测试达到设置值之后自动退出测试，防止大电流烧坏电池。 

    锂电池的不一致性的危害我们都很熟知：容量损失、寿命损失、内阻增大，而为了应对电池的不一致性除了在电池组组装之前进行精细的分选，再有就是综合测试仪中动态压差的测试功能，就是为了检测出电池组充放电的一致性。

    综合测试系统100V/400A/500A系列可细分为100V100A、100V200A、100V300A、100V400A、100V500A、100V600A五个档位，分别支持的放电电流及过流测试最大电流为100A、200A、300A、400A、500A、600A。

    综合测试仪是针对动力电池组的生产检测需要，研发专用于可充电池综合检测，测试仪可以对电池的一些参数做一个定量的精确的测量，可以测量电池的开路电压，内阻，充电，放电性能，电池容量特别针对锂电池的功能还有过充电保护，过放电保护，过电流保护，短路保护等功能，并测出过相应的数值，极大的方便了电池的生产和售前售后服务工作，采用非常简单的几个步骤就可以直观的判断电池的性能和好坏，同时也具有快速筛选的功能，可以设定测量参数的上限和下限，可以容易的从一批电池成品中快速检测出不良电池，提高了生产效率。