三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種不同材質(zhì)的電池在性能上有哪些區(qū)別？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-29 11:04
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是什么造成了這些區(qū)別呢？由于政府補(bǔ)貼傾向性的變化，過去在磷酸鐵鋰電池領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的比亞迪，又開始轉(zhuǎn)向三元鋰的大規(guī)模開發(fā)，這其中又有什么原由？
■ 鋰電池的結(jié)構(gòu)原理
如果見過鋰電池電芯的話一定知道，它的外觀跟我們常用的5號電池差不多，只是尺寸稍微大一點(diǎn)。我們從外部就能看到電池的正極和負(fù)極，以及整個電池的外殼。而電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作原理又是怎樣的呢？
電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜4部分組成，這些材料被封裝在一個圓柱形的鋼瓶內(nèi)。由于正極材料上有很多微型的孔洞，所以可以儲存大量電子。在放電過程中，這些電子通過外電路，移動到正極材料上。當(dāng)電池接通外部用電器之后，會形成從正極到用電器再到負(fù)極的回路。這就是電池的基本工作原理。
▲鋰電池的基本充放電原理圖
負(fù)極材料其實(shí)是我們很常見的石墨。由于石墨天然具有很多孔洞，并且導(dǎo)電性好，其能夠抓住電子的容量要大大超過正極材料。所以對于鋰電池來說，主要的瓶頸卡在正極材料上。這也是各大電池公司為了提高鋰電池的帶電量（能量密度），不斷的在對正極材料性能進(jìn)行改進(jìn)的原因。我們常說的三元鋰和磷酸鐵鋰，指的都是正極材料。
▲被封裝好的電芯（圓柱形）
在傳統(tǒng)的鉛酸電池領(lǐng)域，電解液采用的是成本極低的稀硫酸。這也是為什么我們有時在更換汽車電瓶時，一個新電瓶在首次使用的時候需要往里面加注一次液體，這個液體就是電解液。由于稀硫酸的主要成分是水，水在酸性粒子的作用下會產(chǎn)生導(dǎo)電性，所以可以在電池內(nèi)部行成電流回路。但由于水的導(dǎo)電性差，傳統(tǒng)鉛酸電池的電壓只有不到2伏，而我們使用的鋰電池，單個電芯的電壓可以達(dá)到3-4伏，所以需要用鋰鹽來替代傳統(tǒng)的水基電解液。
隔膜的作用是用來阻斷電子，讓電子沿著外電路路徑流動，但離子可以通過隔膜，這樣既能行成回路，又不會讓正負(fù)極短路。
■ 鋰電池的充放電原理
鋰電池之所以能夠充放電，其本質(zhì)是在充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，在放電時把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程。簡單說就是，充電時鋰離子從正極材料通過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極材料中；放電時鋰離子從負(fù)極材料經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極材料中，而電子則通過外電路，形成電流。對于鋰離子電池而言，正極材料的性能至關(guān)重要，它必須具備良好的導(dǎo)電性能、與電解質(zhì)有良好的相容性以及出色的穩(wěn)定性。
■ 磷酸鐵鋰和三元鋰的性能區(qū)別
磷酸鐵鋰電池有著較高的安全性和較長的循環(huán)壽命。有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過，經(jīng)過1600次充放電循環(huán)后，磷酸鐵鋰電池仍然可以具備80%的帶電量。不僅如此，在大功率放電過程中，磷酸鐵鋰電池的表現(xiàn)也非常穩(wěn)定。這是我們經(jīng)常遇到的使用場景：在急加速或者跑高速時，電池需要大功率放電，而在這個過程中，電壓的穩(wěn)定能讓車輛具備更好的性能。而且在大功率放電過程中電池的實(shí)際容量會減小，這也是為什么電動車跑高速續(xù)航里程會降低的原因之一，而磷酸鐵鋰電池在穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)非常突出。
▲純電動車使用的電池包和電動機(jī)總成
磷酸鐵鋰的另一個優(yōu)點(diǎn)是安全性高?？赡褪?00-800度高溫，對于穿刺、撞擊、短路等極端形況不會釋放出氧分子，所以不會劇烈燃燒爆炸。這也是為什么比亞迪至今仍然在載客人數(shù)較多的客車中使用磷酸鐵鋰電池的原因。因?yàn)榭蛙囕d客人數(shù)多，相比乘用車對安全性要求更高，但對重量和體積又沒那么敏感，所以磷酸鐵鋰是非常好的選擇。
不過磷酸鐵鋰也有兩個不容忽視的缺點(diǎn)：第一是能量密度相對較低、重量大體積大；第二是對溫度相對敏感，低溫環(huán)境下，帶電量會明顯下降。由于能量密度達(dá)不到國家規(guī)定的150瓦時/千克的要求，所以不適合大規(guī)模應(yīng)用在乘用車中。
▲帶水冷系統(tǒng)和均衡控制的電池包總成
三元電池中現(xiàn)在主要有兩種技術(shù)路線，分別是鎳鈷錳和鎳鈷鋁，其中又以鎳鈷錳三種元素的組合最具代表性。它結(jié)合鈷酸鋰，鎳酸鋰和錳酸鋰三種材料的優(yōu)勢，實(shí)際上是把三種材料整合在了一起。所以其綜合性能比單一材料要更好，其能量密度可以超過200瓦時/千克，所以能量密度是三元鋰的最大優(yōu)勢。
但是與磷酸鐵鋰相反的是，三元鋰的安全性較差，最高耐受溫度為250-300度。所以遇到撞擊、穿刺，很容易發(fā)生起火爆炸。所以對于冷卻系統(tǒng)，以及整個電池包的熱管理系統(tǒng)需要投入更高的成本開發(fā)和設(shè)計。
■ 三元鋰電池正在高速普及應(yīng)用
由于國家在乘用車領(lǐng)域的政策引導(dǎo)，把能量密度放到了比較高的位置，所以各個車企都在推進(jìn)或者換裝三元鋰電池。即便是之前掌握磷酸鐵鋰技術(shù)優(yōu)勢的比亞迪，也在逐步把旗下車型使用的動力電池?fù)Q裝成三元鋰。這些車型包括：唐、秦還有騰勢等等。雖然現(xiàn)在采用三元鋰電池的騰勢還沒有上市銷售，但有消息稱，下一輪新產(chǎn)品將會使用三元鋰電池。
