哪些技术能取代新能源车的磷酸铁锂电池？

新能源汽车电芯作为动力电池的基础，无论是在结构形式上如圆柱形、方壳、软包，还是在材料选择上如三元锂、磷酸铁锂，均决定了整个电池系统的性能表现。它不仅仅是能量储存的容器，更是推动电动汽车等新兴产业发展的关键动力源。

随着电芯技术不断进步，固态电池、燃料电池、锂硫电池、锂空气电池、超级电容器等新兴技术的出现，这些新技术正在为未来的新能源汽车开辟了广阔的前景。

从电芯谈起 

动力电池主要分为三大块：电芯（Cell）、电池模组（Module） 、电池包（Pack）。它们是层层递进的关系。电芯（Cell）是电池包里最小的电化学单元，通常是一个封装在壳体中的电化学装置，主要有圆柱（常见的型号有：18650、21700、46800）、方壳和软包三种，也就是我们口中常提到的三元锂电池、磷酸铁锂电池。

化学电源技术可追溯至公元前，而后相继发明伏特电池、燃料电池、铅酸电池、干电池、镍镉电池、锂离子电池。化学电源发展至今，品种繁多，用途广泛，外形差异大，按照工作性质及贮存方式进行分类，主要可分为一次电池（锌锰干电池、锂原电池等）、二次电池（铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池及锂离子电池等）、贮备电池（镁银电池等）和燃料电池（氢燃料电池等）四种。

目前，铅酸电池在电动汽车应用已不具备优势；镍氢电池能量密度很难做高，被取代是必然，但它不会迅速退出舞台，因为高安全、低成本的特性独一无二；传统液态锂离子电池分为磷酸铁锂（LPF）、三元锂（NCM或NCA）、磷酸锰铁锂（LMFP）各有市场。

在下一代电池的研发中，固态电池、锂硫电池、锂空气电池、超级电容器、燃料电池等是较受关注的类型。

传统锂离子电池：三权分立 

锂离子电池四大核心材料为正极材料、负极材料、电解液和隔膜，占总成本将近40%。其它为电池组材料、外壳材料等。现阶段负极材料均选择以石墨为主的碳材料，硅碳负极、非碳负极处于研究阶段，因此正极材料性能决定了锂离子电池性能，电池的命名也主要以正极材料而定，也就是我们经常听到的磷酸铁锂、三元锂之类的名词。

自从1990年Sony将以钴酸锂（LCM）为正极、石墨为负极的锂离子电池成功商业化，开启了锂离子电池时代。锂离子电池出现至今，出现了各种形态，但目前还没有“六边形战士”，目前市场份额比较高的锂电池主要包括：

磷酸铁锂（LPF）因为安全、环保、成本低、循环性能好而称霸市场，但储能密度较低，而且低温性能很差，不能满足电动车冬天使用。不过因其优异的安全性，仍有市场竞争力。比亚迪首席科学家廉玉波就曾表示，磷酸铁锂不会被淘汰，多种电池技术将并行发展。

后来，人们尝试了不同的金属锂盐，发现镍能提高比能量，锰具有良好的环境友好性和稳定性，但也有不足。于是，人们开发了三元材料，分为镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA）两条技术路线。三元锂电池可以通过调控元素比例提升性能，这些比例也会体现在名字中，比如NCM333、NCM442、NCM532、NCM622。

磷酸铁锂与三元锂之争已经持续很良久，目前仍然没有定数。磷酸铁锂凭借安全性和长寿命，在中低端电动汽车市场牢牢占据一席之地，但其低能量密度注定了它难以在短期内突破高端市场的壁垒；三元锂电池虽然以高能量密度主导高端市场，但在安全性和成本控制上步步惊心。

最近一段时间，磷酸锰铁锂（LMFP）成为新晋的黑马，它比磷酸铁锂拥有更高的能量密度和更优异的低温性能，比三元锂安全性能更好和成本更为低廉，但“锰”含量增加时通常导致比容量下降，所以目前装车形式多为“三元锂+磷酸铁锰锂电池”。

目前，世界正在押注两种电池技术作为未来：一是固态电池，二是燃料电池，两大巨人都在决战未来。

未来巨人之一：全固态锂离子电池 

所谓固态电池指的是构成电池的所有部件均是“固态”的电池，即电解液采用固态材料，这样能够解决两个问题：一是能量密度，传统电池的能量密度上限是260 Wh/kg，而固态电池的潜力可达500 Wh/kg；二是防止起火，液态电解液限制了正负极材料，且容易引发安全问题，如锂枝晶和正极材料的不稳定性，固态电解质可以抑制锂枝晶，提升安全性，并且不会与空气反应。

全固态电池虽好，但实现起来也很难，目前主要在解决低电导率、充电速度慢和成本高的问题，所以为了逐渐过度到全固态电池，行业还出现了半固态电池这种形态的电池，已经在新能源汽车中大量使用。

全固态电池的大规模量产时间预估在2026年左右。目前我们看到宁德时代、卫蓝新能源、清陶能源、国轩高科、蜂巢能源、亿纬锂能、弗迪电池、中创新航、孚能科技、高能时代、恩力动力、赣锋锂电、太蓝新能源都在备战全固态电池。近期在此方面国内进展也飞速，比如10月17日，北京纯锂新能源科技公司向行业宣告纯锂50Ah全固态电池已研发完成并在河南兰考量产下线，属国内首款全固态电池量产下线。（更多信息可参考《祛魅固态电池：一文看懂这项大火的技术》）

未来巨人之二：燃料电池 

燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能的“产能”装置，目前在汽车上主推的是氢燃料电池。

其原理是氢气在阳极被分解为氢离子和电子，氢离子通过电解质移动到阴极，与电子和氧气结合生成水，同时释放能量和电力。燃料电池具有效率高、污染小、燃料补充快等优点，能量密度接近汽油和柴油，代表电动汽车的未来发展方向。但其发展仍面临技术难题，如高成本的催化剂、燃料电池寿命问题、氢气制备和基础设施建设等。

我国一直在大力推进氢燃料电池技术，根据中汽协发布的最新数据，2024上半年氢燃料电池汽车产销创史上同期新高，2024年6月我国新能源汽车产销分别完成100.3万辆和104.9万辆，同比分别增长28.1%和30.1%。其中，氢燃料电池汽车产销分别完成1181辆和1117辆，同比分别增长51.6%和11.4%。不过，最近推进的力度放缓，交通部也称“推广量力而为”。

除氢燃料电池，镍氢电池是镍镉电池与燃料电池结合的产物，其正极为氧化镍，负极则是氢电极。镍氢电池具备比能量较高（比镍镉电池高1.5~2 倍）、充放电循环寿命长、过充过放承受能力强等优点，但初始成本较高，自放电速度随氢压提升而增加。不过，它制造成本太高，并且性能比“锂电池”差，所以“水花”不大。

三种电池技术也在兴起 

锂硫电池、锂空气电池、超级电容器目前在汽车领域处于研究阶段，属于下一代汽车电池。

高能量、长续航的锂硫电池正在引发目前的关注，其具有成本较低、不含毒性和危险性物质、对环境和人体健康无害、可有效回收和循环利用等优点。近日，中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院张久俊院士的研究团队在锂硫电池领域取得了突破性进展。他们历经十余年时间研制的新一代锂硫电池在安徽通能新能源公司成功投产，其能量密度高达700wh/kg，是当前市场流行的锂离子电池的三到五倍。

锂空气电池能量密度是传统锂离子电池的4倍，能够达到1200Wh/kg，其高能量密度非常适合新能源汽车，引发了市场关注。顾名思义，锂空气电池以锂为阳极，空气中的氧气为阴极反应物，放电时生成氧化锂或过氧化锂。不过，目前，锂空气电池面临电极材料、电解质和催化剂等问题，重点在于解决有机电解质挥发、锂负极腐蚀和开发高效催化剂等难题。

超级电容器是一种新型的电容器，其充电速度非常快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上，同时循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达数万次。但它存在一定缺点，一是安全性，过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好容易出现“能量突然大爆发”，二是较低的工作电压，制约了在驱动汽车上的应用。

写在最后 

无论是全固态电池，还是燃料电池，最终围绕的主要还是能量密度、充放电速度、续航、寿命、安全等方面考虑。

目前市场上的新能源汽车电芯能量密度已经达到了200wh/kg以上，部分高端产品甚至可以达到300wh/kg，同时新能源汽车电芯的循环寿命通常在1000次以上。随着人们对于安全的愈发重视，固态电池这种不易起火的新技术引发了行业关注。总之，目前依然没有十全十美的方案，当新技术成本继续下降，市场会彻底改变。

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