锂电池三元正极行业深度研究

2024年4月3日发(作者：力帆320e)

锂电池三元正极行业深度研究

1. 技术路线之争：三元、铁锂未来渗透率研判

1.1. 三元、铁锂正极结构、性能对比

在动力电池领域，三元正极和磷酸铁锂正极是当前两种主流应用材

料。因两 种材料本身物理及化学结构的差异带来了材料性能差异，

进而决定了三元电池和 磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。

三元正极性能占优，铁锂胜在安全和低成本。三元材料因相同锂离

子数量下 更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能

量密度也更高。三元材 料晶体呈现层状结构，在充放电过程中，Li+

在 MO6（Mn=Ni、Mn、Co）层间结构 中脱嵌，随着镍含量提高，可

脱嵌 Li+增加，三元材料的理论容量和电池能量密度 随之提高。磷

酸铁锂晶体呈现三维空间网状橄榄石结构，形成一维 Li+传输通

道， 限制 Li+的扩散；同时，八面体 FeO6 共顶相连，导致电子

迁移率相比三元的层状 结构慢 100-1000 倍。三元正极的锂离子

可以沿两个不同方向移动，这造就了三元 电池相比铁锂具有更高的

功率和充放电性能。

然而，三元材料由于 Ni2+（0.069nm）和 Li+（0.076nm）半径

接近，随着镍 含量增加，三元材料在高温烧结制备时产生 Li、Ni

混排的概率迅速上升，使得 Li+ 脱嵌困难，导致材料比容量和循环

性能降低且难以逆转；此外，随着镍含量的增 加，材料中不稳定

的 Ni3+比例随之提高，容易与空气中水分和二氧化碳发生反

应， 加剧比容量和循环性能的损失。与之相反，磷酸铁锂的 P-O化

学键较稳固，温度 达到 700-800 摄氏度才会发生分解，即使电池

出现变形损坏也不会释放氧分子发 生剧烈燃烧，因此铁锂电池具有

更优异的稳定性和安全性能。

量对比三元和铁锂的性能差异发现，三元正极除了活泼的层状晶格

结构相对 铁锂的橄榄石结构带来的正极比容量和电池能量密度优势

外，其低温性能也优于 铁锂，零下 20℃下电池释放容量相比铁锂

高 15pct，这一性能差异将使搭载三元 电池的汽车在冬季相比铁锂

电池具备更好的续航里程。而铁锂材料因更为稳定的 晶格结构，在

高温条件下安全稳定性明显占优。同时，铁锂稳定的结构也带来

的 相比三元更高的首效和和循环寿命。同时，铁锂材料因构成元素

主要为廉价的铁、 磷，相比三元材料中更为稀缺的镍钴锰而言具备

明显价格和成本优势。

此外，三元和铁锂材料在电化学性能差异还在于 SOC曲线的不同。

三元电池 的 SOC曲线随其电压水平呈相对线性关系，而铁锂电池

的 SOC曲线由于其较长 的充放电平台和平台期后的电压突变而无法

轻易地通过其电压变换来判断电池剩 余电量。三元电池的 SOC估计

值偏离其实际值在 1-2％以内，而铁锂电池的 SOC估计值则可能偏

离其实际值 10％左右。因 SOC曲线的差异，三元电池车型更能 紧

缺计算显示剩余续航里程，而铁锂车型易出现续航里程显示系数突降

的情况， 进而带来车主使用体验的差异。

1.2. 未来渗透率：铁锂短期回升，三元长期向好

回顾国内三元和铁锂的历史渗透率曲线，其变换可分为三个阶段：

1）14-15 年，国内新能源车市场火爆，此 时补贴政策对于电池能

量密度等指标考核较 低，低成本且技术成熟的铁锂电池受到青睐，

14-15 年的铁锂渗透率提升；2）16-19 年，补贴政策调整，高能量

密度高续航的三元电池获得超额补贴，三元渗透率 从 16 年