隨著環(huán)保意識的不斷提高和新能源技術的迅速發(fā)展，電動船舶作為一種綠色、環(huán)保的水上交通工具，正逐漸成為未來航運的新趨勢。而磷酸鐵鋰電池作為電動船舶的核心動力源，其發(fā)展前景備受矚目。

磷酸鐵鋰電池是一種新型能源，具有諸多優(yōu)勢。首先，從價格方面來看，目前主流廠商的磷酸鐵鋰價格已經下探至 5.3 萬元 / 噸左右，隨著碳酸鋰價格持續(xù)下探，磷酸鐵鋰成本也有望下降。在動力磷酸鐵鋰離子電池市場，不同規(guī)格的電池價格也有所不同，如金萊宇 60V 電瓶車鋰離子電池，三元磷酸鐵鋰 60V20AH 電池價格大約是 2100 元；鳳燕電動汽車電瓶車鋰離子電池，三元磷酸鐵鋰離子電池 72V20AH 價格大約是 2400 元等。

在發(fā)展前景方面，配套于新能源汽車的磷酸鐵鋰離子電池只是其應用的一個方面。在巨大的儲能市場中，僅就 5G 基站方面而言，我國至少仍有 1438 萬個基站要被新建或改造，為磷酸鐵鋰離子電池提供了廣闊的市場空間。在新興的電動船舶市場，也是磷酸鐵鋰的天下。數(shù)據(jù)顯示，2016 年國內電動船的市場規(guī)模已達到 56.3 億，預計到 2021 年這個規(guī)模將擴展到 96.3 億，到 2024 年，全球電動船舶市場規(guī)模預計將達 450 多億元。

磷酸鐵鋰電池在電動船舶行業(yè)應用具有顯著優(yōu)勢。其一，安全性和耐高溫性能優(yōu)異。磷酸鐵鋰電池是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其橄欖石結構的晶體結構構架穩(wěn)固，氧與磷以強共價鍵牢固結合，即便在高溫情況下也不會形成結構崩塌發(fā)熱，磷酸鐵鋰電熱峰值可達 350℃ - 500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在 200℃左右。工作溫度范圍寬廣（-20℃～+75℃），使其成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。其二，使用壽命更長。磷酸鐵鋰電池完整充電循環(huán)壽命在 2000 次以上，而鉛酸電池的循環(huán)使用次數(shù)在 300 次左右，最大一般不超過 500 次，相同條件下的磷酸鐵鋰電池理論壽命將達到 7 - 8 年。并且磷酸鐵鋰電池具備大電流放電能力，也可使用大電流 2C 快速充放電，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。其三，量產產品單位能量密度較高具備價格優(yōu)勢。2018 年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在 160Wh/kg 左右，2019 年一些優(yōu)秀的電池廠家大概能做到 175 - 180Wh/kg 的水平，個別厲害的公司量產的磷酸鐵鋰電池單體能量密度最高已突破 190Wh/kg，隨著市場對未來電動船舶市場、儲能市場的看好，未來磷酸鐵鋰電池應用在電動船舶領域的比例增多的同時必然會在能量密度將迎來較大的發(fā)展，同時單位價格也會呈現(xiàn)下降趨勢。其四，綠色無污染的環(huán)保產品。磷酸鐵鋰電池一般不含任何重金屬與稀有金屬無毒無污染，且符合歐洲相關規(guī)定，是絕佳的綠色環(huán)保電池。

當前純電動船舶在多種船型均有應用，包含客船、渡船、旅游船、公務船、工程船、干散貨船、集裝箱船等多種船型。不過現(xiàn)階段超過 5000 噸級的中大型船舶完全鋰電化難度依然較大。目前結合當前政府在船舶電動領域的推廣情況和內河、湖泊區(qū)域的環(huán)保要求來看，未來一段時間內船舶電動化尤其是純電動船將主要在內河水域、湖泊等相對封閉水域獲得較大發(fā)展，主要集中在沿江沿海城市渡船、觀光船、內河（湖）貨船、港口拖船等市場。

電動船舶具有綠色環(huán)保、零污染、安全以及使用成本低等優(yōu)點，其運行成本明顯低于柴油和 LNG 燃料船舶。此外，電動船舶的結構簡單，運行穩(wěn)定，維護成本低，更適合未來環(huán)保的趨勢。南京、武漢、新疆等多個湖 / 河景區(qū)正在推動船舶油改電工作；武漢長江渡輪、珠江客輪、上海安吉 - 黃浦渡輪在推行純電動示范船項目；大型幾千噸級散貨船也在探索油電混合新能源船舶項目。

隨著環(huán)保政策日趨嚴格，同時鋰電池技術的不斷提升，預計未來幾年船舶電動化將進入快速發(fā)展期，而且純電動船將成為發(fā)展的主流方向。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、長壽命、低成本、性能均衡等多方優(yōu)勢成為現(xiàn)階段船舶動力電池的最優(yōu)選擇。目前，磷酸鐵鋰電芯價格已經下降至 0.6 元 / Wh，在船舶應用領域已具備經濟性。安全性方面，近年磷酸鐵鋰動力電池及 BMS 電池管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，充放電倍率的提高使船舶啟動加速及動力操控性更好，已經具備了在船舶上推廣應用的技術條件。

總之，磷酸鐵鋰電池作為電動船舶的動力源，具有廣闊的發(fā)展前景和顯著的優(yōu)勢，將在未來的航運領域發(fā)揮重要作用。

二、發(fā)展前景

隨著環(huán)保要求的提高和鋰電池技術的不斷進步，電動船舶市場規(guī)模不斷擴大，磷酸鐵鋰電池在其中展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

1. 市場規(guī)模預測

根據(jù)相關報告，全球電動船舶市場規(guī)模預計將在 2024 年達到一定規(guī)模，并在未來幾年持續(xù)增長。磷酸鐵鋰電池作為電動船舶的主要動力源之一，市場份額也將不斷提升。全球與中國電動船用電池系統(tǒng)市場運營規(guī)模及前景預測分析報告顯示，2023 年全球電動船用電池系統(tǒng)市場規(guī)模大約為百萬美元，預計未來六年年復合增長率 CAGR 為 %，到 2030 年達到百萬美元。其中，船用磷酸鐵鋰電池預計 2030 年達到百萬美元，未來六年 CAGR 為 %。研究公司 Research and Markets 預測，2024 年全球電動船舶市場規(guī)模將達 450 多億元。

2. 應用領域拓展

磷酸鐵鋰電池不僅在觀光船、渡船等小型船舶上得到應用，還在貨船、拖輪等大型船舶上開始探索使用。未來，隨著技術的不斷進步，其應用領域將進一步拓展。

目前，我國研發(fā)建造的電動船舶主要為長江、珠江等內河以及沿海貨船，應用領域為沿江沿海的城市渡船、觀光船以及港口拖船市場。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國內河流域船舶保有量在 13 萬到 14 萬艘，僅長江和京杭運河的內河船舶總數(shù)就超過 6 萬艘，相較之下電動船舶數(shù)量卻非常少，未來替代市場空間巨大。

眾多電池企業(yè)正加速涌入電動船舶領域。例如，由我國自主設計建造的國內首艘兩千噸級集散兩用新能源運輸船在浙江長興交付，配備由億緯鋰能提供的 3400kWh 大容量磷酸鐵鋰電池組；由億緯鋰能、武漢理工大學和中國船級社共同研討設計的船用集裝箱式移動電源正式發(fā)布，采用標準 20 尺海運集裝箱尺寸設計，內部搭載磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)；全球最大純電動游輪 “長江三峽 1” 號正式投入商業(yè)運營，電芯供應商為寧德時代，電池總容量約 7500kWh；寧德時代電機科技有限公司自主研發(fā)的純電動船舶 “白海豚 1 號” 成功下水首航，也搭載寧德時代動力電池；我國自主研制的載重 3000 噸級的電動貨船 “船聯(lián) 1 號” 在南京下水啟航，搭載 2 組可移動磷酸鐵鋰電池。

國內首艘大型純電動客船 “君旅號” 在長江武漢段首航，采用億緯鋰能配套的磷酸鐵鋰電池，整船電池容量為 2.28MWh。福建省首艘電動高端內河游船 “閩江之星” 成功首航，采用寧德時代大容量高安全磷酸鐵鋰電芯；國內首艘純電動港作拖輪在連云港開工建造，采用億緯鋰能的磷酸鐵鋰動力電池組；中國自主設計建造的首艘海上危險品應急指揮船 “深海 01” 輪在廣州順利下水，搭載寧德時代的鋰離子動力電池系統(tǒng)。

電動船舶和電動汽車的應用領域不同，對鋰電池性能要求側重點也不同。磷酸鐵鋰電池具有良好安全性、長循環(huán)性能，良好的高溫穩(wěn)定性以及較低的成本，是現(xiàn)階段船舶動力電池的最優(yōu)選擇。目前，磷酸鐵鋰電芯價格已經下降至 0.6 元 / Wh，在船舶應用領域已具備經濟性。安全性方面，近年磷酸鐵鋰動力電池及 BMS 電池管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，充放電倍率的提高使船舶啟動加速及動力操控性更好，已經具備了在船舶上推廣應用的技術條件。

未來，磷酸鐵鋰電池在電動船舶領域的應用比例將不斷增多，產品價格也會呈現(xiàn)下降趨勢。船舶鋰電化趨勢將主要集中在沿江沿海城市渡船、觀光船；內河貨船；港口拖船市場等，部分大中型船舶使用鋰電替代鉛酸，進而促進鋰電池船用化加速。船舶電動化也給磷酸鐵鋰電池開辟了一條新的發(fā)展道路，有望進一步提升磷酸鐵鋰電池的市場占比。

三、技術特點

磷酸鐵鋰電池具有獨特的結構和充放電過程，使其在電動船舶領域具有顯著的技術優(yōu)勢。

1. 結構特點

磷酸鐵鋰電池由正極、負極、電解質和隔膜組成。正極采用正交橄欖石結構的磷酸鐵鋰，這種結構具有穩(wěn)定性高、安全性好等特點。其橄欖石結構的晶體結構構架穩(wěn)固，氧與磷以強共價鍵牢固結合，即便在高溫情況下也不會形成結構崩塌發(fā)熱。同時，磷酸鐵鋰電池不含有對人體有害的重金屬元素，是一種安全可靠的電池。

負極由碳（石墨）與粘合劑的混合物再加上有機溶劑調和制成糊狀涂覆在銅基體上并呈薄層狀分布。電解質用于傳導離子，隔膜則起到關閉或阻斷通道的作用，保證電池內部的離子傳輸有序進行。電池的外殼一般由金屬組成且密閉封裝，為電池提供良好的保護。

2. 充放電過程

充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，經電解質傳遞到負極，嵌入負極碳材料。具體反應為 LiFePO?逐漸脫離出鋰離子（Li?）形成 FePO?，即 LiFePO? - χLi? + χe? → χFePO? + (1 - χ) LiFePO?。

放電時，鋰離子自負極石墨中脫出，經電解質到達正極，同時負極釋放電子，自外部放電電路到達正極，并在此過程中為外部提供能量。在此過程中，鋰離子嵌入磷酸鐵（FePO?）晶體形成磷酸鐵鋰（LiFePO?），反應式為 FePO? + χLi? + χe? → LiFePO? + (1 - χ) FePO?。

磷酸鐵鋰電池的充放電反應主要發(fā)生在 LiFePO?和 FePO?兩相之間進行，這種獨特的充放電過程使得磷酸鐵鋰電池在電動船舶領域具有重要的應用價值。

四、優(yōu)勢分析

磷酸鐵鋰電池在電動船舶上的應用具有多方面的優(yōu)勢。

安全性高

采用橄欖石結構的正極材料，安全性和耐高溫性能優(yōu)異，電熱峰值可達 350℃ - 500℃。磷酸鐵鋰電池的正極材料為正交橄欖石結構的磷酸鐵鋰，這種結構構架穩(wěn)固，氧與磷以強共價鍵牢固結合，即使在高溫情況下也不會形成結構崩塌發(fā)熱，極大地保證了電池充放電過程的穩(wěn)定性與安全性。相比之下，錳酸鋰和鈷酸鋰的電熱峰值只在 200℃左右。工作溫度范圍寬廣（-20℃～+75℃），使其成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。同時，磷酸鐵鋰電池不含有對人體有害的重金屬元素，進一步提升了其安全性。

使用壽命長

完整充電循環(huán)壽命在 2000 次以上，遠高于鉛酸電池。根據(jù)相關資料，磷酸鐵鋰電池在不同使用場景下壽命有所不同。正常情況下，小電流充放電在 3C 類電子產品上應用，質量好的磷酸鐵鋰離子電池基本都是 2000 次以上的循環(huán)壽命；高倍率穩(wěn)定充放電使用在動力型鋰離子電池上，如新能源汽車、電動汽車、漁船機電電源等，實力強的磷酸鐵鋰離子電池品牌廠家的電芯循環(huán)壽命也在 800 次左右；而鉛酸電池的循環(huán)使用次數(shù)在 300 次左右，最大一般不超過 500 次。相同條件下的磷酸鐵鋰電池理論壽命將達到 7 - 8 年，并且具備大電流放電能力，也可使用大電流 2C 快速充放電，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。

能量密度高

量產產品單位能量密度較高，且隨著技術的發(fā)展還將不斷提升，同時價格呈現(xiàn)下降趨勢。2018 年量產的方形鋁殼磷酸鐵鋰電池單體能量密度在 160Wh/kg 左右，2019 年一些優(yōu)秀的電池廠家大概能做到 175 - 180Wh/kg 的水平，個別厲害的公司量產的磷酸鐵鋰電池單體能量密度最高已突破 190Wh/kg。隨著市場對未來電動船舶市場、儲能市場的看好，未來磷酸鐵鋰電池應用在電動船舶領域的比例增多的同時必然會在能量密度將迎來較大的發(fā)展，同時單位價格也會呈現(xiàn)下降趨勢。

環(huán)保無污染

不含任何重金屬與稀有金屬，無毒無污染，符合環(huán)保要求。磷酸鐵鋰電池一般不含任何重金屬與稀有金屬，無毒無污染，且符合歐洲《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》規(guī)定，是絕佳的綠色環(huán)保電池。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池在生產使用及回收利用過程中不會對水體及土壤生態(tài)造成破壞。在產品壽命周期中也不會對人體及環(huán)境造成明顯破壞。

五、安全性探討

磷酸鐵鋰電池在電動船舶上的安全性備受關注。

1. 安全性能優(yōu)勢

近年磷酸鐵鋰動力電池及 BMS 電池管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，具備在船舶上推廣應用的技術條件。磷酸鐵鋰電池具有良好的安全性，其正極材料為正交橄欖石結構的磷酸鐵鋰，這種結構構架穩(wěn)固，氧與磷以強共價鍵牢固結合，即使在高溫情況下也不會形成結構崩塌發(fā)熱。相比之下，錳酸鋰和鈷酸鋰的電熱峰值只在 200℃左右，而磷酸鐵鋰電池的電熱峰值可達 350℃ - 500℃。工作溫度范圍寬廣（-20℃～+75℃），使其成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。

此外，國際船級社 DNV GL 發(fā)布的船舶鋰電池安全報告指出，與 NMC 電池相比，磷酸鐵鋰電池通常更難以被迫進入熱失控狀態(tài)，溫度上升速率也較低。這進一步證明了磷酸鐵鋰電池在電動船舶應用中的安全性能優(yōu)勢。

2. 防護等級高

電池包系統(tǒng)設計采用符合 IP67 以上防護等級的電池包，可有效規(guī)避水汽、鹽霧及粉塵引發(fā)的安全風險。寧德時代副總裁吳凱表示，寧德時代已攻克了安全、長續(xù)航、大功率、長壽命等技術難題，電池包系統(tǒng)設計采用符合 IP67 以上防護等級的電池包，可有效規(guī)避水汽、鹽霧及粉塵引發(fā)的安全風險，滿足全生命周期內的 IP 等級要求。

億緯鋰能的船舶動力產品 PACK 箱體也達到 IP67 防護等級，同時采用 BMS 安全冗余設計，滿足 CCS 安全認證要求，保障船舶動力系統(tǒng)在不同復雜工況下安全應用。

例如，24V 鋰電池 24 伏 100Ah 房車磷酸鐵鋰 IP67 防水船舶應急儲能大單體電池，就體現(xiàn)了高防護等級在船舶應急儲能中的重要性。

綜上所述，磷酸鐵鋰電池在電動船舶上具有顯著的安全性能優(yōu)勢和高防護等級，為電動船舶的安全運行提供了有力保障。

六、應用案例

眾多電動船舶采用磷酸鐵鋰電池，取得了良好的效果。

1. 國內首艘大型純電動客船 “君旅號”

國內首艘大型純電動商旅客船 “君旅號” 從百年老碼頭武漢關緩緩駛出，開啟了萬里長江黃金水道新能源動力通航時代。“君旅號” 由中國船舶集團有限公司第七一二研究所、第七〇二研究所聯(lián)合研制，可搭乘 300 名游客。該船采用億緯鋰能配套的磷酸鐵鋰電池，整船電池容量為 2.28MWh，相當于 50 臺電動汽車的電池容量。相比同尺度燃油動力船舶每年可省油近百噸，無碳、硫等廢棄污染物排放，晚上充電 4 - 5 個小時就可以滿足白天 8 小時的續(xù)航需求。全船平均噪音預估值為 54dB (A)，優(yōu)于某些豪華品牌轎車車內噪音，達到內河綠色船舶 3 的最高等級。

“君旅號” 是國內首艘通過中國船級社《純電池動力電動船檢驗指南》要求的純電池動力大型客船，在船體動力性能、船舶設計和建造等方面均提出了更高要求，關鍵性能指標達到了國際先進水平，填補了國內在相關領域的空白。

2. 國內首艘純電動拖船 “云港電拖一號”

國內首艘純電動拖輪 “云港電拖一號” 在江蘇連云港港投入運行。該拖輪采用磷酸鐵鋰電池組作為動力源，由中國船舶集團旗下七〇八所、七一二所聯(lián)合設計，總長 35.5 米，型寬 10 米，型深 4.5 米，吃水 3.5 米，總電量設計為 5000 千瓦時。可達到 4000 馬力常規(guī)拖船使用效果，正向拖力 48 噸，航速不小于 13 節(jié)，充電一次即可滿足一天的用電需求。

“云港電拖一號” 采用七一二所高安全性磷酸鐵鋰電池組作為主動力源，整船設計多組電池組互為備用，安全系數(shù)高。相比傳統(tǒng)燃油動力拖船，每年可節(jié)約燃油消耗約 300 噸，減排約 900 噸碳氧化物和 12 噸硫化物，相當于 300 多輛小汽車的減排量，完全做到 “零排放” 運行。同時，配合連云港港首創(chuàng)的高壓岸電技術，在快充模式下，2 小時即可充滿，運營效率大幅提升。

七、結論

電動船舶磷酸鐵鋰電池憑借其發(fā)展前景廣闊、技術特點突出、優(yōu)勢明顯以及安全性高等特點，正成為船舶電動化的重要動力源。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，磷酸鐵鋰電池將在電動船舶領域發(fā)揮更大的作用。

從發(fā)展前景來看，隨著環(huán)保要求的不斷提高和鋰電池技術的持續(xù)進步，電動船舶市場規(guī)模將持續(xù)擴大。全球電動船舶市場規(guī)模預計在 2024 年達到 450 多億元，并在未來幾年保持增長態(tài)勢。磷酸鐵鋰電池作為電動船舶的主要動力源之一，其市場份額也將不斷提升。在應用領域方面，磷酸鐵鋰電池不僅在觀光船、渡船等小型船舶上得到廣泛應用，還在貨船、拖輪等大型船舶上開始探索使用。未來，隨著技術的不斷進步，其應用領域將進一步拓展，涵蓋更多類型的船舶。

在技術特點方面，磷酸鐵鋰電池具有獨特的結構和充放電過程。其正極采用正交橄欖石結構的磷酸鐵鋰，穩(wěn)定性高、安全性好。負極由碳（石墨）與粘合劑的混合物制成，電解質用于傳導離子，隔膜起到關閉或阻斷通道的作用。充放電過程主要發(fā)生在 LiFePO?和 FePO?兩相之間，具有重要的應用價值。

在優(yōu)勢方面，磷酸鐵鋰電池在電動船舶上具有多方面的優(yōu)勢。安全性高，采用橄欖石結構的正極材料，電熱峰值可達 350℃ - 500℃，工作溫度范圍寬廣，成為中大容量、中高功率鋰離子電池首選的正極材料。使用壽命長，完整充電循環(huán)壽命在 2000 次以上，遠高于鉛酸電池。能量密度高，量產產品單位能量密度較高，且隨著技術的發(fā)展還將不斷提升，同時價格呈現(xiàn)下降趨勢。環(huán)保無污染，不含任何重金屬與稀有金屬，無毒無污染，符合環(huán)保要求。

在安全性方面，磷酸鐵鋰電池具有良好的安全性能優(yōu)勢和高防護等級。近年磷酸鐵鋰動力電池及 BMS 電池管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，具備在船舶上推廣應用的技術條件。電池包系統(tǒng)設計采用符合 IP67 以上防護等級的電池包，可有效規(guī)避水汽、鹽霧及粉塵引發(fā)的安全風險。

在應用案例方面，眾多電動船舶采用磷酸鐵鋰電池，取得了良好的效果。國內首艘大型純電動客船 “君旅號” 和國內首艘純電動拖船 “云港電拖一號” 均采用磷酸鐵鋰電池組作為動力源，在環(huán)保、節(jié)能、安全等方面表現(xiàn)出色。

綜上所述，電動船舶磷酸鐵鋰電池具有廣闊的發(fā)展前景和顯著的優(yōu)勢。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，磷酸鐵鋰電池將在電動船舶領域發(fā)揮更大的作用，為推動船舶電動化和環(huán)保事業(yè)做出更大的貢獻。

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時間 2024/12/06

審核編輯 黃宇