磷酸鐵鋰二十余載的風(fēng)與雪——專(zhuān)訪中南大學(xué)胡國(guó)榮教授
發(fā)布時(shí)間：2024-02-19 來(lái)源：未知 分享到：
胡國(guó)榮，中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任先進(jìn)電池材料教育部工程研究中心技術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)電子學(xué)會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員，中國(guó)無(wú)機(jī)鹽協(xié)會(huì)鋰鹽分會(huì)專(zhuān)家委員會(huì)委員。主要從事鋰電池正極材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)鈷酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等正極材料的產(chǎn)業(yè)化，其科研成果孵化出多家正極材料企業(yè)。2021年是磷酸鐵鋰電池的逆襲之年，無(wú)論是產(chǎn)量、銷(xiāo)量還是動(dòng)力電池裝機(jī)量，磷酸鐵鋰電池都正式反超三元電池。往后的時(shí)間里，磷酸鐵鋰電池繼續(xù)乘勝追擊，市場(chǎng)占有率不斷擴(kuò)大，2023年上半年幾乎兩倍于三元電池。對(duì)于此現(xiàn)象，胡教授表示，磷酸鐵鋰電池本身的市場(chǎng)發(fā)展經(jīng)歷了一些反復(fù)。早期磷酸鐵鋰占主流，2016年到2020年的時(shí)候三元反超磷酸鐵鋰，因?yàn)楫?dāng)時(shí)特斯拉推出了續(xù)航里程比磷酸鐵鋰高的電動(dòng)汽車(chē)，使得這段時(shí)間三元成為主流。但是中國(guó)呢，因?yàn)樵缙谙癖葋喌纤麄冎魍七€是磷酸鐵鋰，所以他們也做了很多的改進(jìn)工作，特別是在電池結(jié)構(gòu)方面，這個(gè)時(shí)候?qū)幍聲r(shí)代也做了很多貢獻(xiàn)，特別是推出CTP。磷酸鐵鋰電池以前都有模組，CTP就是從電芯直接到PACK，把模組取消以后能量密度得以提高。后來(lái)比亞迪又推出了刀片電池，結(jié)構(gòu)上得到進(jìn)一步優(yōu)化，電池能量密度更加提高。最近他們又推出了CTB、CTC。CTB是把電芯直接裝到車(chē)身里面，CTC是把電芯裝到汽車(chē)底盤(pán)，這樣的話空間利用率更加高，電池能量密度也更加提升?，F(xiàn)在磷酸鐵鋰電池的續(xù)航達(dá)到700公里、800公里都很常見(jiàn)了。所以由于這樣一些改進(jìn)，導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池的能量密度大幅度提升。還有就是，磷酸鐵鋰的安全性確實(shí)比三元要好很多，所以現(xiàn)在包括特斯拉也開(kāi)始采用磷酸鐵鋰電池。另外，它的循環(huán)壽命也非常高。再者就是成本，中國(guó)對(duì)于三元的鎳、鈷都比較稀缺。綜合能量密度、成本資源和安全性、循環(huán)壽命等這幾個(gè)方面的原因，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢(shì)更加明顯，所以它的市場(chǎng)份額越來(lái)越多。目前，磷酸鐵鋰現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)路線，像草酸亞鐵路線、氧化鐵紅路線、磷酸鐵路線等等，這些路線孰優(yōu)孰劣？還有何可以改進(jìn)的地方呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，胡教授表示，磷酸鐵鋰最早是草酸亞鐵路線，后來(lái)又推出了氧化鐵紅路線，而現(xiàn)在磷酸鐵路線成為了主流。當(dāng)然像德方納米還有個(gè)硝酸鐵路線，此外，還有其他的一些非主流的像水熱法等路線。整體來(lái)講，現(xiàn)在磷酸鐵路線是主流的技術(shù)路線。磷酸鐵路線之所以成為主流的技術(shù)路線，因?yàn)樗旧淼墓に嚤容^環(huán)保，收率比較高，像草酸亞鐵路線的話它的收率很低，只有百分之五十幾，而磷酸鐵路線的收率可以達(dá)到百分之九十左右。還有個(gè)關(guān)鍵的原因就是磷酸鐵做的產(chǎn)品的性能非常好，所以現(xiàn)在像裕能、萬(wàn)潤(rùn)、比亞迪、邦普他們都選的這個(gè)路線。此外，胡教授也提到，其他路線也有企業(yè)在做，比如說(shuō)草酸亞鐵路線。胡教授的一些學(xué)生們?cè)谧龅模窀慌R精工，他們做的效果挺好，產(chǎn)品性能甚至比磷酸鐵路線做的還有優(yōu)勢(shì)，比如壓實(shí)密度是行業(yè)里目前最高的。但是草酸亞鐵路線成本比較高，現(xiàn)在面臨比較大的壓力。氧化鐵紅路線的話，產(chǎn)品性能上要差一點(diǎn)，但是成本上稍微有一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能市場(chǎng)等對(duì)成本比較敏感的領(lǐng)域還是有一定的市場(chǎng)份額。硝酸鐵路線的話，就德方納米一家企業(yè)在做，產(chǎn)品性能也不錯(cuò)但是環(huán)保壓力比較大。所以磷酸鐵鋰每個(gè)路線都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，但是目前從主流來(lái)看，磷酸鐵路線綜合起來(lái)優(yōu)勢(shì)更明顯。與三元電池相比，磷酸鐵鋰電池回收利用率低，缺乏盈利點(diǎn)，甚至之前進(jìn)行再生材料回收處于虧本狀態(tài)，導(dǎo)致很少有人關(guān)注磷酸鐵鋰電池的回收問(wèn)題，但它最終還是要回收的。關(guān)于磷酸鐵鋰電池的回收問(wèn)題，胡教授表示，磷酸鐵鋰的回收，實(shí)際上在早期，特別是在2020年以前，沒(méi)人關(guān)注這個(gè)東西。因?yàn)楫?dāng)時(shí)碳酸鋰價(jià)格很低，比如說(shuō)2020年碳酸鋰的價(jià)格只有三萬(wàn)八、四萬(wàn)左右，那個(gè)時(shí)候磷酸鐵鋰價(jià)格也只有三萬(wàn)多塊錢(qián)一噸，所以那個(gè)時(shí)候回收的話它價(jià)值不高，基本上都是回收三元材料，因?yàn)槿牧湘?、鈷價(jià)格高。但是到了2022年，磷酸鐵鋰的回收也比較火，包括磷酸鐵鋰的黑粉回收價(jià)格也很貴，主要是因?yàn)樘妓徜噧r(jià)格很高，2022年最高的時(shí)候磷酸鐵鋰價(jià)格也是達(dá)到了十五六萬(wàn)一噸。這個(gè)時(shí)候回收磷酸鐵鋰主要是回收鋰，因?yàn)殇嚨膬r(jià)格高，但是從環(huán)保的角度來(lái)講，未來(lái)只回收鋰，磷、鐵不回收的話會(huì)產(chǎn)生大量的磷鐵渣，目前很多做磷酸鐵鋰回收的企業(yè)，他們把磷鐵渣都堆在那里也沒(méi)來(lái)處理。所以整個(gè)來(lái)講，磷酸鐵鋰電池因?yàn)樾阅芊浅?yōu)越，循環(huán)壽命非常好，所以很多電池回收公司把回收回來(lái)的電池先是拿來(lái)做梯次利用，但梯次利用用完了以后這種電池還是要回收。哪怕未來(lái)碳酸鋰價(jià)格降到四五萬(wàn)一噸，當(dāng)然也不知道會(huì)不會(huì)有這么一天，但是碳酸鋰價(jià)格下降是大勢(shì)所趨，未來(lái)降到十萬(wàn)以下甚至五六萬(wàn)也是有這種可能。這個(gè)時(shí)候磷酸鐵鋰的價(jià)值就不高了，但不能說(shuō)磷酸鐵鋰價(jià)值低就不回收，還是要回收。但這個(gè)時(shí)候的回收講究一個(gè)綜合回收的問(wèn)題，除了鋰的回收，鐵、磷也要回收，現(xiàn)在很多企業(yè)、科研院所也在做這方面的工作。但是目前磷鐵渣的回收有個(gè)難點(diǎn)就是里面的鋁，因?yàn)檎龢O片是涂覆在鋁箔上面的，那么磷鐵渣中鋁的含量比較高。如果說(shuō)把鋁的這個(gè)問(wèn)題解決，磷酸鐵的回收也是可以做到的。在這方面，胡教授的一些學(xué)生們也在做，通過(guò)把鋁的含量降低基本上也能解決磷酸鐵的回收問(wèn)題，只不過(guò)成本稍微高一點(diǎn)，但是現(xiàn)階段碳酸鋰價(jià)格在二十幾萬(wàn)一噸的情況下，回收還是有利可圖。當(dāng)然未來(lái)的話，胡教授認(rèn)為，如果說(shuō)磷酸鐵鋰價(jià)格降得很低的時(shí)候，那可能回收這些電池就不要錢(qián)了或者倒找錢(qián)都有可能。雖然磷酸鐵鋰與其他鋰離子電池正極材料相比，更加安全、更加環(huán)保、成本更加低廉，但是仍然存在著致命的弱點(diǎn)，比如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低；低溫性能較差；大電流放電性能差等。那么往后磷酸鐵鋰電池性能提升的研究方向在哪呢？對(duì)此，胡教授說(shuō)出了自己的看法。胡教授認(rèn)為，磷酸鐵鋰電池現(xiàn)在基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需求，當(dāng)然滿足的需求背后也還是有一些缺陷。比如說(shuō)低溫性能比較差，特別是在北方零下二三十度的時(shí)候，電池放電放不出來(lái)或者放電只有平時(shí)的百分之八十。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，一些電池企業(yè)包括一些車(chē)廠也做了很多的改進(jìn)，包括前期預(yù)熱、電池結(jié)構(gòu)改變，基本上也還能夠克服。當(dāng)然在極端溫度下，零下四五十度可能會(huì)難度比較大，不過(guò)在零下幾度到零下二十度之間應(yīng)該是沒(méi)問(wèn)題的。還有個(gè)問(wèn)題就是，磷酸鐵鋰電池快充的話還是有一點(diǎn)小問(wèn)題，當(dāng)然現(xiàn)在像比亞迪、寧德時(shí)代也做了很多工作，比如說(shuō)十分鐘或者五六分鐘充一下可以跑個(gè)一百公里以上，應(yīng)急的話還是可以的。快充要做到很完美，可能還是有一定的難度。其他的就是從成本上來(lái)講的話，磷酸鐵鋰目前價(jià)格還是偏高。雖然目前磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)車(chē)?yán)锩鎽?yīng)用基本上也還可以，特別在2022年價(jià)格那么高的情況下，車(chē)廠的產(chǎn)量還是增長(zhǎng)非?？?。但是如果磷酸鐵鋰電池要大規(guī)模的應(yīng)用到儲(chǔ)能市場(chǎng)的話，儲(chǔ)能市場(chǎng)對(duì)成本比較敏感，所以磷酸鐵鋰電池降本還是有迫切的需求。當(dāng)然現(xiàn)在關(guān)鍵還是原材料價(jià)格太貴，如果說(shuō)有朝一日碳酸鋰價(jià)格能夠降下來(lái)，磷酸鐵鋰電池的成本也能夠降下來(lái)。據(jù)粉體網(wǎng)了解，胡教授研究磷酸鐵鋰已有二十余年，當(dāng)年比亞迪第一批磷酸鐵鋰的樣品就是由胡教授提供的。當(dāng)小編問(wèn)到胡教授這些年來(lái)在磷酸鐵鋰方面最大的成就是什么時(shí)，胡教授謙虛而又低調(diào)的表示，不能光談及其個(gè)人，整個(gè)行業(yè)都在從事這項(xiàng)工作，做了很多的貢獻(xiàn)。中國(guó)人真正的磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化是從2004年、2005年左右開(kāi)始，胡教授表示其本人從2001年就開(kāi)始帶學(xué)生做這方面的論文。整個(gè)全球的話，最早是1997年，Goodenough教授發(fā)明了磷酸鐵鋰材料，2003年左右，像美國(guó)、加拿大就開(kāi)始做產(chǎn)業(yè)化。我們國(guó)內(nèi)也差不多同步，胡教授是2004年、2005年開(kāi)始做中試，比亞迪當(dāng)時(shí)在實(shí)驗(yàn)室的電池樣品，就是胡教授提供的，從幾公斤、幾十公斤到幾百公斤。在做的過(guò)程中也經(jīng)歷了很多的反復(fù)，特別是技術(shù)路線的話當(dāng)時(shí)也不確定，每家企業(yè)、每個(gè)科研單位選擇路線也不一樣。通過(guò)百花齊放、多種路線的競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)在的話性能提升很大，成本也大幅度下降。胡教授還提到，2004年、2005年的時(shí)候，當(dāng)時(shí)從國(guó)外，比如加拿大去買(mǎi)磷酸鐵鋰的話，報(bào)價(jià)是40萬(wàn)人民幣以上一噸，而現(xiàn)在如果碳酸鋰不漲價(jià)的話，像2020年磷酸鐵鋰也就是三四萬(wàn)一噸。所以磷酸鐵鋰通過(guò)這20年的發(fā)展，性能得到了大幅度提升，成本有了大幅度下降。此外，磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了一些其他行業(yè)的發(fā)展，胡教授舉了個(gè)例子，比如說(shuō)裝備行業(yè)，現(xiàn)在砂磨機(jī)行業(yè)就是被磷酸鐵鋰?yán)瓌?dòng)起來(lái)的。砂磨機(jī)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步也很快，早期容量可能就幾十升，現(xiàn)在已經(jīng)做到了上千升的大型化。同時(shí)，砂磨機(jī)價(jià)格也大幅下降，原來(lái)一臺(tái)幾十升的砂磨機(jī)都要幾百萬(wàn)，現(xiàn)在一千升的砂磨機(jī)可能也就只要兩三百萬(wàn)。此外，包括窯爐裝備，還有干燥裝備等等，還有產(chǎn)線的自動(dòng)化，磷酸鐵鋰整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步應(yīng)該是非常大的，這也是中國(guó)整個(gè)電池、電池材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)縮影。那么為什么國(guó)外沒(méi)有做起來(lái)，因?yàn)閲?guó)外這些產(chǎn)業(yè)不配套嘛！中國(guó)磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)，從裝備來(lái)、原材料來(lái)講，基本上已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。中國(guó)的發(fā)展包括胡教授個(gè)人的工作，可以說(shuō)是推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)發(fā)展。胡教授近期科研成果和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化
采訪的最后，胡教授也是跟我們分享了他及課題組最新科研成果和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。胡教授談到，中南大學(xué)作為一個(gè)學(xué)校，在科研方面也是做了很多的工作，在應(yīng)用方面做的也不錯(cuò)。胡教授本人也是一直從事產(chǎn)業(yè)化方面的工作，從早期的鈷酸鋰到三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程從0到1，胡教授也都參與了過(guò)程中的很多工作，為行業(yè)做了一定貢獻(xiàn)。目前的話，胡教授要做的工作一方面是能不能夠開(kāi)發(fā)一些新一代材料，因?yàn)檫@也是大學(xué)的使命，它必須要?jiǎng)?chuàng)新。所以胡教授也在進(jìn)行一些鈉離子電池、新型電解液、固態(tài)電池方面的研究工作。此外，胡教授針對(duì)磷酸鐵鋰材料現(xiàn)有材料進(jìn)行一些改進(jìn)提升，比如磷酸鐵鋰材料的降本工作，主要是從原材料方面做一些改變；裝備方面，在裝備的大型化、自動(dòng)化、智能化方面做一些工作；材料性能方面，提高磷酸鐵鋰的壓實(shí)密度、低溫性能。材料能量密度提升方面，主要是做了一些磷酸錳鐵鋰方面的工作。三元材料的話，主要單晶化等方面的工作。還有就是圍繞著企業(yè)做一些改進(jìn)工作，比如說(shuō)產(chǎn)品的升級(jí)換代方面。總的來(lái)說(shuō)，胡教授及其團(tuán)隊(duì)目前的工作主要分為兩方面，一個(gè)是現(xiàn)有產(chǎn)品的升級(jí)換代，第二個(gè)就是新一代、前沿產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
