作为电动汽车的心脏，动力电池为新能源汽车提供着动力。在当前的技术趋势下，锂离子电池是动力电池的优选技术，它具有更佳的综合性能，不仅容量大工作电压高、荷电保持能力强，而且循环使用寿命长、安全性好，体积小且重量轻。在全球碳中和大趋势以及全球原油价格居高不下的背景下，越来越多的人在购车时倾向于选购新能源汽车。受这样的大环境影响，动力锂电池行业也保持高度景气。锂离子电池按照正极材料分类可以分为钴酸锂电池、三元电池（镍钴锰酸锂 NCM 或镍钴铝酸锂 NCA）、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。钴酸锂电池能量密度高，但成本高、安全性差，因此主要应用在3C 领域。三元电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池虽然能量密度方面不及钴酸锂电池，但因在安全性、循环性等方面优势明显，因此被广泛应用于动力电池领域。2017 年，动力电池市场中磷酸铁锂和三元电池出货量几乎各占一半，锰酸锂电池占比较小。市面上的新能源汽车选择的动力电池通常为三元锂电池与磷酸铁锂电池这两大类。要比较这两种电池，首先就要了解一下锂离子电池的结构原理。
图1 锂离子电池结构
锂离子电池以碳材料为负极，以含锂的化合物作正极，电池的中间有一层隔膜，避免正负极短路。锂离子电池中并没有金属锂存在，只有锂离子。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）也就产生了电流。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我国国土幅员辽阔，南北方的温差极大。拿新能源汽车的主要消费市场北京来说，夏季最高温可达40℃，冬季平均可达零下16℃，甚至更低。所以在我国市场上的新能源车不可不考虑的一个问题就是耐低温性。
低温放电特性比较
从上表中数据可以看出同样的低温环境下，三元锂的相对容量明显更好一些，在零下20°C时，三元锂电池能够释放约70%的容量，而磷酸铁锂电池只能释放约50%的容量。此外低温环境下三元锂电池的放电平台也远远高于磷酸铁锂电池电压平台，能更大程度发挥电机的能力，具有更好的动力性。三元锂离子电池即三元聚合物锂离子电池，正极材料使用镍钴锰酸锂三元正极材料的锂离子电池，即含有镍、钴、锰三种元素的过渡金属嵌锂氧化物符合材料正极的锂离子电池。这种材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应其综合性能优于任一单组合化合物，重量能量密度能够达到200Wh/kg。根据国内三元锂电池的龙头企业比克电池提供的数据，其18650圆柱电池单体的能量密度已经达到了232Wh/kg，而目前国内的磷酸铁锂电池单体的能量密度大约为180Wh/kg左右。目前市场上最常用的充电方式是恒流恒压充电。充电的第一阶段做恒流充电，此时电流大，效率高。恒流充电达到一定电压后，进入第二阶段恒压充电，此时，电流小，效率低。恒流比（即恒流充电电量与电池总容量的比值），是衡量电池充电效率的重要数据，恒流比越高，电池充电性能越好。实验数据表明，10C以下条件充电时二者区别不大，但10C以上会拉开距离，在20C充电时，三元锂电池的恒流比是52.75%，磷酸铁锂电池的恒流比是10.08%，三元锂电池是磷酸铁锂电池的5倍。在锂电池原理中，我们谈到在锂电池的中间有一层隔膜可以防止正负极短路，当电池被尖锐物体刺穿时，隔膜也被刺穿，从而正负极短路会引发电池本身发热甚至爆炸。使用磷酸铁锂材料的刀片电池顺利通过针刺测试，证实了这种材料锂电池的高安全性。另外，磷酸铁锂正极材料本身的热稳定性就比三元锂材料要好很多，在500°C以内，有着极高的稳定性，在800°C左右才会发生分解，而三元锂材料在300°C左右时就会发生分解。并且，即便发生热失控，磷酸铁锂电池的放热也非常缓慢，分解时也并不会释放氧气，减少了起火的风险。电池的容量衰减是电动车的另一个痛点，磷酸铁锂电池的完全充放电循环次数大于3000次，而三元锂电池比磷酸铁锂电池寿命短一些，完全充放电循环大于2000次会开始出现衰减现象。相较于三元锂电池生产所必需的镍、钴元素均为贵金属，磷酸铁锂电池不含贵重金属材料，所以就生产的成本上来说，磷酸铁锂材料的电池要远低于三元锂材料电池。
综合分析两种电池的特点，三元材料在电池能量密度、充放电效率、耐低温性能等方面占据优势，但成本、循环性、安全性上弱于磷酸铁锂电池。比较之下，三元锂电池与磷酸铁锂电池还是各有千秋难分优劣。2017年开始，三元锂电池在动力电池领域的应用逐渐成为主流。宁德时代、比亚迪、国轩高科等大型磷酸铁锂电池企业都开始增加三元锂电池产能。从各类电池情况来看，2017年前10个月18.1GWh锂电总装机量中，三元/锰系电池以9.96GWh占比55.03%，与前9个月的54.49%相比，又有所提升。其中锰酸锂电池不到0.9GWh，磷酸铁锂电池以7.88GWh占比43.51%，与前9个月的44.27%相比，有所下滑。到了2021年磷酸铁锂电池出货量为117GWh，同比增长270%；三元锂电池出货量为109GWh，同比增长127%，自2021年5月起，国内磷酸铁锂电池出货量开始连续力压三元锂电池，似有王者回归之相。
但随着技术的不断进步，三元锂电池的安全、寿命以及成本与磷酸铁锂的差异也逐渐缩小，有成为顶流的优势。两种技术路线都在不停进化，通过不断研发补足自身不足，未来动力电池材料会是谁家天下，如今尚未可知，且待来日方晓。
