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    发表时间/2022-11-17
  • 三元锂电池与磷酸铁锂电池的各自特点

    随着新能源汽车产业的不断发展,人们对新能源汽车的需求量也越来越大,市场上电池种类越来越多,其中三元锂电池与磷酸铁锂电池是大家比较熟悉的,都是我们日常生活中经常用到的电池类型,但其实他们还有很大的区别:三元锂电池是采用石墨负极材料制作动力电池,而磷酸铁锂电池是采用磷酸铁锂材料制作动力电池。两者相比较,磷酸铁锂电池能量密度更高,成本较低,比三元锂电池能量密度更高,重量更轻,目前在新能源汽车上使用较多。三元锂电池与磷酸铁锂电池各有优缺点:三元锂电池具有较大的优势和缺陷:比能量低、充电时间长、容量小、使用寿命短等缺点;磷酸铁锂电池容量较高、安全性好、成本低、使用寿命长等优点;三元锂电池正极材料较多、安全性优于磷酸铁锂电池;而三元锂电池在安全性、充电时间、成本、使用寿命方面与磷酸铁锂电池相差甚远,具有很大区别和缺陷:三元锂电池正极材料中石墨占大部分;三元锂电池负极材料中石墨占比小(约为30%)。

        1、体积能量密度

        体积能量密度是新能源汽车技术标准《汽车用动力蓄电池技术条件》规定的电池系统的性能指标之一,是评价汽车对环境适应性和使用性能的重要指标。与磷酸铁锂作为固体电解质的电池相比,三元锂电池具有体积能量密度更高、重量更轻、循环寿命更长等特点。目前市面上销售的主要三元锂材料有NCM811 (NMC)、NCM622 (NMP),而三元锰酸锂(NMP)是指单一元素组成的锰基系材料。这是由于三元材料在制备过程中需要加入添加剂(如 NMP)等来实现结构的简化。由于该系列材料本身密度比较低(0.2~0.4),再加上目前技术水平难以实现多元素合成及材料结构可控,因此三元电池的体积能量密度较磷酸铁锂电芯相对更大且在生产过程中需要加入添加剂来实现结构的简化和优化升级。

        2、循环性能

        三元锂电池的循环性能与磷酸铁锂电池基本一致,但由于磷酸铁钾的成本高于三元材料,所以磷酸铁锂电池具有更长的使用寿命。从充放电循环中来看,三元电池表现出更高的循环稳定性和安全性;从温度变化循环中来看,磷酸铁锂电池具有较长的循环寿命及稳定的低温性能。在低温下,磷酸铁锂比容量仍然很高,但由于其充放电反应过程中会产生活性物质分解,导致比容量进一步降低。因此在低温环境下,磷酸铁锂比容量不能达到饱和状态;在恒流充放电循环中,三元电池表现出优异的循环稳定性和恒流充放电特性,其低温性能表现更好。

        3、使用寿命

        磷酸铁锂电池使用寿命主要取决于正极材料。因此磷酸铁锂电池中 NCM三元正极材料占主导地位。NCM电池的锂离子电荷在正极的电位高于嵌入和脱嵌状态下的 NCM负极,因此形成了正极材料为 NCM的结构特点和工作温度对其影响的特点。如果正极材料的电位越高,其容量衰减越慢直至停止;当正极材料的电位较低则会使负极材料的电位下降从而造成容量的损失甚至停止放电导致安全事故。三元正极材料具备这一特点,故三元正极材料较 NCM负极材料具有更好的电位和安全性。因此可以看出三元正极材料本身的特性对其安全性提升十分重要。

        4、安全性和充电效率

        磷酸铁锂电池安全性能良好,其原因在于材料体系为镍钴锰三元锂结构,在高温下发生过充电或短路时会释放出大量的热,导致磷酸铁锂电池产生燃烧或爆炸。三元锂电池安全性较好,在不发生过充或短路现象时电池还可以正常工作。但磷酸铁锂电池存在缺陷,即不耐高温、不耐高压、循环寿命短、安全性差和热失控高。三元锂比磷酸铁锂具有更高的能量密度和更低的低温膨胀系数,但其循环次数较少。此外三元锂比磷酸铁锂高出5倍至10倍的充电速率;而在充电效率方面,三元锂比磷酸铁锂高出10%。

        5、成本

        在成本方面,三元锂电池比磷酸铁锂电池贵。与磷酸铁锂电池相比,三元锂电池可降低成本的部分有其特定的来源。从电池单体成本来看,三元锂电池单体中磷酸铁锂的成本比磷酸铁锂电池单体成本低50%左右。从产品成本来看,由于三元锂电池中正极材料为磷酸铁锂聚合物材料,因此材料成本相对较低;正极材料可采用金属钴或者金属镍等取代,材料成本相对较低。从目前的市场情况来看,以新能源汽车为代表的动力电池需求将会继续保持增长态势;与此同时,由于新能源汽车产业发展需要加大补贴力度而造成行业竞争激烈程度加剧。


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