电动船舶新动力：磷酸铁锂电池的崛起
随着环保意识的不断提高和新能源技术的迅速发展，电动船舶作为一种绿色、环保的水上交通工具，正逐渐成为未来航运的新趋势。而磷酸铁锂电池作为电动船舶的核心动力源，其发展前景备受瞩目。
磷酸铁锂电池是一种新型能源，具有诸多优势。首先，从价格方面来看，目前主流厂商的磷酸铁锂价格已经下探至 5.3 万元 / 吨左右，随着碳酸锂价格持续下探，磷酸铁锂成本也有望下降。在动力磷酸铁锂离子电池市场，不同规格的电池价格也有所不同，如金莱宇 60V 电瓶车锂离子电池，三元磷酸铁锂 60V20AH 电池价格大约是 2100 元；凤燕电动汽车电瓶车锂离子电池，三元磷酸铁锂离子电池 72V20AH 价格大约是 2400 元等。
在发展前景方面，配套于新能源汽车的磷酸铁锂离子电池只是其应用的一个方面。在巨大的储能市场中，仅就 5G 基站方面而言，我国至少仍有 1438 万个基站要被新建或改造，为磷酸铁锂离子电池提供了广阔的市场空间。在新兴的电动船舶市场，也是磷酸铁锂的天下。数据显示，2016 年国内电动船的市场规模已达到 56.3 亿，预计到 2021 年这个规模将扩展到 96.3 亿，到 2024 年，全球电动船舶市场规模预计将达 450 多亿元。
磷酸铁锂电池在电动船舶行业应用具有显著优势。其一，安全性和耐高温性能优异。磷酸铁锂电池是目前最安全的锂离子电池正极材料，其橄榄石结构的晶体结构构架稳固，氧与磷以强共价键牢固结合，即便在高温情况下也不会形成结构崩塌发热，磷酸铁锂电热峰值可达 350℃ - 500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在 200℃左右。工作温度范围宽广（-20℃～+75℃），使其成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。其二，使用寿命更长。磷酸铁锂电池完整充电循环寿命在 2000 次以上，而铅酸电池的循环使用次数在 300 次左右，最大一般不超过 500 次，相同条件下的磷酸铁锂电池理论寿命将达到 7 - 8 年。并且磷酸铁锂电池具备大电流放电能力，也可使用大电流 2C 快速充放电，而铅酸电池现在无此性能。其三，量产产品单位能量密度较高具备价格优势。2018 年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在 160Wh/kg 左右，2019 年一些优秀的电池厂家大概能做到 175 - 180Wh/kg 的水平，个别厉害的公司量产的磷酸铁锂电池单体能量密度最高已突破 190Wh/kg，随着市场对未来电动船舶市场、储能市场的看好，未来磷酸铁锂电池应用在电动船舶领域的比例增多的同时必然会在能量密度将迎来较大的发展，同时单位价格也会呈现下降趋势。其四，绿色无污染的环保产品。磷酸铁锂电池一般不含任何重金属与稀有金属无毒无污染，且符合欧洲相关规定，是绝佳的绿色环保电池。
当前纯电动船舶在多种船型均有应用，包含客船、渡船、旅游船、公务船、工程船、干散货船、集装箱船等多种船型。不过现阶段超过 5000 吨级的中大型船舶完全锂电化难度依然较大。目前结合当前政府在船舶电动领域的推广情况和内河、湖泊区域的环保要求来看，未来一段时间内船舶电动化尤其是纯电动船将主要在内河水域、湖泊等相对封闭水域获得较大发展，主要集中在沿江沿海城市渡船、观光船、内河（湖）货船、港口拖船等市场。
电动船舶具有绿色环保、零污染、安全以及使用成本低等优点，其运行成本明显低于柴油和 LNG 燃料船舶。此外，电动船舶的结构简单，运行稳定，维护成本低，更适合未来环保的趋势。南京、武汉、新疆等多个湖 / 河景区正在推动船舶油改电工作；武汉长江渡轮、珠江客轮、上海安吉 - 黄浦渡轮在推行纯电动示范船项目；大型几千吨级散货船也在探索油电混合新能源船舶项目。
随着环保政策日趋严格，同时锂电池技术的不断提升，预计未来几年船舶电动化将进入快速发展期，而且纯电动船将成为发展的主流方向。磷酸铁锂电池以其高安全性、长寿命、低成本、性能均衡等多方优势成为现阶段船舶动力电池的最优选择。目前，磷酸铁锂电芯价格已经下降至 0.6 元 / Wh，在船舶应用领域已具备经济性。安全性方面，近年磷酸铁锂动力电池及 BMS 电池管理系统发展迅速，充放电倍率的提高使船舶启动加速及动力操控性更好，已经具备了在船舶上推广应用的技术条件。
总之，磷酸铁锂电池作为电动船舶的动力源，具有广阔的发展前景和显著的优势，将在未来的航运领域发挥重要作用。
二、发展前景
随着环保要求的提高和锂电池技术的不断进步，电动船舶市场规模不断扩大，磷酸铁锂电池在其中展现出广阔的发展前景。
1. 市场规模预测
根据相关报告，全球电动船舶市场规模预计将在 2024 年达到一定规模，并在未来几年持续增长。磷酸铁锂电池作为电动船舶的主要动力源之一，市场份额也将不断提升。全球与中国电动船用电池系统市场运营规模及前景预测分析报告显示，2023 年全球电动船用电池系统市场规模大约为百万美元，预计未来六年年复合增长率 CAGR 为 %，到 2030 年达到百万美元。其中，船用磷酸铁锂电池预计 2030 年达到百万美元，未来六年 CAGR 为 %。研究公司 Research and Markets 预测，2024 年全球电动船舶市场规模将达 450 多亿元。
2. 应用领域拓展
磷酸铁锂电池不仅在观光船、渡船等小型船舶上得到应用，还在货船、拖轮等大型船舶上开始探索使用。未来，随着技术的不断进步，其应用领域将进一步拓展。
目前，我国研发建造的电动船舶主要为长江、珠江等内河以及沿海货船，应用领域为沿江沿海的城市渡船、观光船以及港口拖船市场。据不完全统计，目前我国内河流域船舶保有量在 13 万到 14 万艘，仅长江和京杭运河的内河船舶总数就超过 6 万艘，相较之下电动船舶数量却非常少，未来替代市场空间巨大。
众多电池企业正加速涌入电动船舶领域。例如，由我国自主设计建造的国内首艘两千吨级集散两用新能源运输船在浙江长兴交付，配备由亿纬锂能提供的 3400kWh 大容量磷酸铁锂电池组；由亿纬锂能、武汉理工大学和中国船级社共同研讨设计的船用集装箱式移动电源正式发布，采用标准 20 尺海运集装箱尺寸设计，内部搭载磷酸铁锂电池系统；全球最大纯电动游轮 “长江三峡 1” 号正式投入商业运营，电芯供应商为宁德时代，电池总容量约 7500kWh；宁德时代电机科技有限公司自主研发的纯电动船舶 “白海豚 1 号” 成功下水首航，也搭载宁德时代动力电池；我国自主研制的载重 3000 吨级的电动货船 “船联 1 号” 在南京下水启航，搭载 2 组可移动磷酸铁锂电池。
国内首艘大型纯电动客船 “君旅号” 在长江武汉段首航，采用亿纬锂能配套的磷酸铁锂电池，整船电池容量为 2.28MWh。福建省首艘电动高端内河游船 “闽江之星” 成功首航，采用宁德时代大容量高安全磷酸铁锂电芯；国内首艘纯电动港作拖轮在连云港开工建造，采用亿纬锂能的磷酸铁锂动力电池组；中国自主设计建造的首艘海上危险品应急指挥船 “深海 01” 轮在广州顺利下水，搭载宁德时代的锂离子动力电池系统。
电动船舶和电动汽车的应用领域不同，对锂电池性能要求侧重点也不同。磷酸铁锂电池具有良好安全性、长循环性能，良好的高温稳定性以及较低的成本，是现阶段船舶动力电池的最优选择。目前，磷酸铁锂电芯价格已经下降至 0.6 元 / Wh，在船舶应用领域已具备经济性。安全性方面，近年磷酸铁锂动力电池及 BMS 电池管理系统发展迅速，充放电倍率的提高使船舶启动加速及动力操控性更好，已经具备了在船舶上推广应用的技术条件。
未来，磷酸铁锂电池在电动船舶领域的应用比例将不断增多，产品价格也会呈现下降趋势。船舶锂电化趋势将主要集中在沿江沿海城市渡船、观光船；内河货船；港口拖船市场等，部分大中型船舶使用锂电替代铅酸，进而促进锂电池船用化加速。船舶电动化也给磷酸铁锂电池开辟了一条新的发展道路，有望进一步提升磷酸铁锂电池的市场占比。
三、技术特点
磷酸铁锂电池具有独特的结构和充放电过程，使其在电动船舶领域具有显著的技术优势。
1. 结构特点
磷酸铁锂电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。正极采用正交橄榄石结构的磷酸铁锂，这种结构具有稳定性高、安全性好等特点。其橄榄石结构的晶体结构构架稳固，氧与磷以强共价键牢固结合，即便在高温情况下也不会形成结构崩塌发热。同时，磷酸铁锂电池不含有对人体有害的重金属元素，是一种安全可靠的电池。
负极由碳（石墨）与粘合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状涂覆在铜基体上并呈薄层状分布。电解质用于传导离子，隔膜则起到关闭或阻断通道的作用，保证电池内部的离子传输有序进行。电池的外壳一般由金属组成且密闭封装，为电池提供良好的保护。
2. 充放电过程
充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，经电解质传递到负极，嵌入负极碳材料。具体反应为 LiFePO₄逐渐脱离出锂离子（Li⁺）形成 FePO₄，即 LiFePO₄ - χLi⁺ + χe⁻ → χFePO₄ + (1 - χ) LiFePO₄。
放电时，锂离子自负极石墨中脱出，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外部放电电路到达正极，并在此过程中为外部提供能量。在此过程中，锂离子嵌入磷酸铁（FePO₄）晶体形成磷酸铁锂（LiFePO₄），反应式为 FePO₄ + χLi⁺ + χe⁻ → LiFePO₄ + (1 - χ) FePO₄。
磷酸铁锂电池的充放电反应主要发生在 LiFePO₄和 FePO₄两相之间进行，这种独特的充放电过程使得磷酸铁锂电池在电动船舶领域具有重要的应用价值。
四、优势分析
磷酸铁锂电池在电动船舶上的应用具有多方面的优势。
安全性高
采用橄榄石结构的正极材料，安全性和耐高温性能优异，电热峰值可达 350℃ - 500℃。磷酸铁锂电池的正极材料为正交橄榄石结构的磷酸铁锂，这种结构构架稳固，氧与磷以强共价键牢固结合，即使在高温情况下也不会形成结构崩塌发热，极大地保证了电池充放电过程的稳定性与安全性。相比之下，锰酸锂和钴酸锂的电热峰值只在 200℃左右。工作温度范围宽广（-20℃～+75℃），使其成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。同时，磷酸铁锂电池不含有对人体有害的重金属元素，进一步提升了其安全性。
使用寿命长
完整充电循环寿命在 2000 次以上，远高于铅酸电池。根据相关资料，磷酸铁锂电池在不同使用场景下寿命有所不同。正常情况下，小电流充放电在 3C 类电子产品上应用，质量好的磷酸铁锂离子电池基本都是 2000 次以上的循环寿命；高倍率稳定充放电使用在动力型锂离子电池上，如新能源汽车、电动汽车、渔船机电电源等，实力强的磷酸铁锂离子电池品牌厂家的电芯循环寿命也在 800 次左右；而铅酸电池的循环使用次数在 300 次左右，最大一般不超过 500 次。相同条件下的磷酸铁锂电池理论寿命将达到 7 - 8 年，并且具备大电流放电能力，也可使用大电流 2C 快速充放电，而铅酸电池现在无此性能。
能量密度高
量产产品单位能量密度较高，且随着技术的发展还将不断提升，同时价格呈现下降趋势。2018 年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在 160Wh/kg 左右，2019 年一些优秀的电池厂家大概能做到 175 - 180Wh/kg 的水平，个别厉害的公司量产的磷酸铁锂电池单体能量密度最高已突破 190Wh/kg。随着市场对未来电动船舶市场、储能市场的看好，未来磷酸铁锂电池应用在电动船舶领域的比例增多的同时必然会在能量密度将迎来较大的发展，同时单位价格也会呈现下降趋势。
环保无污染
不含任何重金属与稀有金属，无毒无污染，符合环保要求。磷酸铁锂电池一般不含任何重金属与稀有金属，无毒无污染，且符合欧洲《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》规定，是绝佳的绿色环保电池。与传统铅酸电池相比，磷酸铁锂电池在生产使用及回收利用过程中不会对水体及土壤生态造成破坏。在产品寿命周期中也不会对人体及环境造成明显破坏。
五、安全性探讨
磷酸铁锂电池在电动船舶上的安全性备受关注。
1. 安全性能优势
近年磷酸铁锂动力电池及 BMS 电池管理系统发展迅速，具备在船舶上推广应用的技术条件。磷酸铁锂电池具有良好的安全性，其正极材料为正交橄榄石结构的磷酸铁锂，这种结构构架稳固，氧与磷以强共价键牢固结合，即使在高温情况下也不会形成结构崩塌发热。相比之下，锰酸锂和钴酸锂的电热峰值只在 200℃左右，而磷酸铁锂电池的电热峰值可达 350℃ - 500℃。工作温度范围宽广（-20℃～+75℃），使其成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。
此外，国际船级社 DNV GL 发布的船舶锂电池安全报告指出，与 NMC 电池相比，磷酸铁锂电池通常更难以被迫进入热失控状态，温度上升速率也较低。这进一步证明了磷酸铁锂电池在电动船舶应用中的安全性能优势。
2. 防护等级高
电池包系统设计采用符合 IP67 以上防护等级的电池包，可有效规避水汽、盐雾及粉尘引发的安全风险。宁德时代副总裁吴凯表示，宁德时代已攻克了安全、长续航、大功率、长寿命等技术难题，电池包系统设计采用符合 IP67 以上防护等级的电池包，可有效规避水汽、盐雾及粉尘引发的安全风险，满足全生命周期内的 IP 等级要求。
亿纬锂能的船舶动力产品 PACK 箱体也达到 IP67 防护等级，同时采用 BMS 安全冗余设计，满足 CCS 安全认证要求，保障船舶动力系统在不同复杂工况下安全应用。
例如，24V 锂电池 24 伏 100Ah 房车磷酸铁锂 IP67 防水船舶应急储能大单体电池，就体现了高防护等级在船舶应急储能中的重要性。
综上所述，磷酸铁锂电池在电动船舶上具有显著的安全性能优势和高防护等级，为电动船舶的安全运行提供了有力保障。
六、应用案例
众多电动船舶采用磷酸铁锂电池，取得了良好的效果。
1. 国内首艘大型纯电动客船 “君旅号”
国内首艘大型纯电动商旅客船 “君旅号” 从百年老码头武汉关缓缓驶出，开启了万里长江黄金水道新能源动力通航时代。“君旅号” 由中国船舶集团有限公司第七一二研究所、第七〇二研究所联合研制，可搭乘 300 名游客。该船采用亿纬锂能配套的磷酸铁锂电池，整船电池容量为 2.28MWh，相当于 50 台电动汽车的电池容量。相比同尺度燃油动力船舶每年可省油近百吨，无碳、硫等废弃污染物排放，晚上充电 4 - 5 个小时就可以满足白天 8 小时的续航需求。全船平均噪音预估值为 54dB (A)，优于某些豪华品牌轿车车内噪音，达到内河绿色船舶 3 的最高等级。
“君旅号” 是国内首艘通过中国船级社《纯电池动力电动船检验指南》要求的纯电池动力大型客船，在船体动力性能、船舶设计和建造等方面均提出了更高要求，关键性能指标达到了国际先进水平，填补了国内在相关领域的空白。
2. 国内首艘纯电动拖船 “云港电拖一号”
国内首艘纯电动拖轮 “云港电拖一号” 在江苏连云港港投入运行。该拖轮采用磷酸铁锂电池组作为动力源，由中国船舶集团旗下七〇八所、七一二所联合设计，总长 35.5 米，型宽 10 米，型深 4.5 米，吃水 3.5 米，总电量设计为 5000 千瓦时。可达到 4000 马力常规拖船使用效果，正向拖力 48 吨，航速不小于 13 节，充电一次即可满足一天的用电需求。
“云港电拖一号” 采用七一二所高安全性磷酸铁锂电池组作为主动力源，整船设计多组电池组互为备用，安全系数高。相比传统燃油动力拖船，每年可节约燃油消耗约 300 吨，减排约 900 吨碳氧化物和 12 吨硫化物，相当于 300 多辆小汽车的减排量，完全做到 “零排放” 运行。同时，配合连云港港首创的高压岸电技术，在快充模式下，2 小时即可充满，运营效率大幅提升。
七、结论
电动船舶磷酸铁锂电池凭借其发展前景广阔、技术特点突出、优势明显以及安全性高等特点，正成为船舶电动化的重要动力源。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，磷酸铁锂电池将在电动船舶领域发挥更大的作用。
从发展前景来看，随着环保要求的不断提高和锂电池技术的持续进步，电动船舶市场规模将持续扩大。全球电动船舶市场规模预计在 2024 年达到 450 多亿元，并在未来几年保持增长态势。磷酸铁锂电池作为电动船舶的主要动力源之一，其市场份额也将不断提升。在应用领域方面，磷酸铁锂电池不仅在观光船、渡船等小型船舶上得到广泛应用，还在货船、拖轮等大型船舶上开始探索使用。未来，随着技术的不断进步，其应用领域将进一步拓展，涵盖更多类型的船舶。
在技术特点方面，磷酸铁锂电池具有独特的结构和充放电过程。其正极采用正交橄榄石结构的磷酸铁锂，稳定性高、安全性好。负极由碳（石墨）与粘合剂的混合物制成，电解质用于传导离子，隔膜起到关闭或阻断通道的作用。充放电过程主要发生在 LiFePO₄和 FePO₄两相之间，具有重要的应用价值。
在优势方面，磷酸铁锂电池在电动船舶上具有多方面的优势。安全性高，采用橄榄石结构的正极材料，电热峰值可达 350℃ - 500℃，工作温度范围宽广，成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。使用寿命长，完整充电循环寿命在 2000 次以上，远高于铅酸电池。能量密度高，量产产品单位能量密度较高，且随着技术的发展还将不断提升，同时价格呈现下降趋势。环保无污染，不含任何重金属与稀有金属，无毒无污染，符合环保要求。
在安全性方面，磷酸铁锂电池具有良好的安全性能优势和高防护等级。近年磷酸铁锂动力电池及 BMS 电池管理系统发展迅速，具备在船舶上推广应用的技术条件。电池包系统设计采用符合 IP67 以上防护等级的电池包，可有效规避水汽、盐雾及粉尘引发的安全风险。
在应用案例方面，众多电动船舶采用磷酸铁锂电池，取得了良好的效果。国内首艘大型纯电动客船 “君旅号” 和国内首艘纯电动拖船 “云港电拖一号” 均采用磷酸铁锂电池组作为动力源，在环保、节能、安全等方面表现出色。
综上所述，电动船舶磷酸铁锂电池具有广阔的发展前景和显著的优势。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，磷酸铁锂电池将在电动船舶领域发挥更大的作用，为推动船舶电动化和环保事业做出更大的贡献。
朗凯威 www.langkawipower.com
时间 2024/12/06
审核编辑 黄宇
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