磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的不同之處是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-06 15:06
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三元聚合物鋰電池：正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池。據(jù)清華大學(xué)歐陽明高解釋：本次調(diào)查中所稱的"三元"材料，指的是正極是三元，負(fù)極是石墨的通常說法中的"三元動力電池"。而在實(shí)際研發(fā)應(yīng)用中，還有一種正極是三元，負(fù)極是鈦酸鋰的，通常被稱為"鈦酸鋰"，其性能比較安全，壽命比較長，不屬于普通所說的"三元材料。"
優(yōu)點(diǎn)三元鋰電池能量密度高，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰。目前，隨著配方的不斷改進(jìn)和結(jié)構(gòu)完善，電池的標(biāo)稱電壓已達(dá)到3.7V，在容量上已經(jīng)達(dá)到或超過鈷酸鋰電池水平。
缺點(diǎn)三元材料動力鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH值過高易使單體脹氣，進(jìn)而引發(fā)危險，目前造價較高。
導(dǎo)讀：對比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢？新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵——電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費(fèi)者日益成長的需求，不僅是汽車科技相關(guān)行業(yè)人員，還是科研工作者在全領(lǐng)域的追求。
說到要買新能源汽車，可能大部分的消費(fèi)者第一時間想起的是“政策優(yōu)惠”，雖然這有點(diǎn)尷尬但確實(shí)是相當(dāng)實(shí)在的原因。在國內(nèi)的銷售環(huán)境中，新能源汽車要打開局面，可不僅僅是因為“環(huán)保”這樣的任重道遠(yuǎn)的使命感。新能源車在售價和養(yǎng)護(hù)成本上的優(yōu)勢的確吸引了大部分現(xiàn)階段仍然以用車成本為主的消費(fèi)者的喜愛。
磷酸鐵鋰電池的充電器與普通鋰電池是不同的。鋰電池的最高終止充電電壓是4.2伏，磷酸鐵鋰電池是3.65伏。磷酸鐵鋰電池的充電建議使用CCCV充電方式，即先恒流后恒壓。恒流建議0.3C。恒壓建議3.65.即恒流過程中0.3C電流充，當(dāng)電池電壓到達(dá)3.65V后，采用3.65V電壓恒壓充電，當(dāng)充電電流低于0.1C（或0.05C）時停止充電，即電池已經(jīng)充滿。
一般磷酸鋰鐵電池充電上限電壓3.7~4V，放電下限電壓2~2.5V，綜合考慮放電容量、放電中值電壓、充電時間、恒流容量百分比、安全性這5個方面，采用恒流恒壓的充電方案，對于磷酸鐵鋰電池，充電限制電壓設(shè)定在3.55～3.70V較合理，推薦值為3.60～3.65V，放電下限電壓2.2V~2.5V。
磷酸鐵鋰電池的充放電反應(yīng)是在LiFePO4和FePO4兩相之間進(jìn)行。在充電過程中，LiFePO4逐漸脫離出鋰離子形成FePO4，在放電過程中，鋰離子嵌入FePO4形成LiFePO4。
電池充電時，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，進(jìn)入電解液，然后穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨品格中。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池正極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極極耳流向電池負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵鋰電池。
電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，然后穿過隔膜，經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。
磷酸鐵鋰電池充電方法
充電前，磷酸鐵鋰電池不需要專門放電，放電不當(dāng)反而會損壞電池。充電時盡量以慢充充電，減少快充方式;時間不要超過24小時。
請使用原廠或聲譽(yù)較好的品牌的充電器，磷酸鐵鋰電池要用鋰電池專用充電器，并遵照指示說明，否則會損壞電池，甚至發(fā)生危險。
鋰電安全工作電壓范圍是2.8~4.2V，低于或高于這個電壓范圍電池中的鋰離子變得非常不穩(wěn)定，甚至造成事故。
避免在過高溫度下充電，如果在高于規(guī)定的操作溫度，即35°C以上的環(huán)境中使用磷酸鐵鋰電池，電池的電量將會不斷的減少，即電池的供電時間不會像往常那樣長。
三元鋰電池充電原理
三元鋰電池一般會要求充電進(jìn)程按涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電停止四個階段，進(jìn)行管控。
階段1：涓流充電—涓流充電用來先對徹底放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在三元鋰電池電壓低于3V左右時選用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA)。
階段2：恒流充電—當(dāng)三元鋰電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，進(jìn)步充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至1.0C之間。電池電壓跟著恒流充電進(jìn)程逐漸升高,一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V。
階段3：恒壓充電—當(dāng)三元鋰電池電壓上升到4.2V時，恒流充電完畢，開始恒壓充電階段。電流依據(jù)電芯的飽和程度，跟著充電進(jìn)程的繼續(xù)充電電流由最大值漸漸減少，當(dāng)減小到0.01C時，以為充電停止。
階段4：充電停止—有兩種典型的充電停止辦法：選用最小充電電流判別或選用定時器。最小電流法監(jiān)督恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流小于0.02C時停止充電。第二種辦法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后停止充電進(jìn)程。
然而可能某些消費(fèi)者的腳步會因為某些原因暫時停下對新能源車的好奇，這是因為多少都會被新能源車各種自燃的事件心有余悸。而這也正是筆者今天為什么要寫這篇文章的原因。須知道不了解新能源車的根本--能源模塊的優(yōu)劣，而且不了解使用過程中需要注意的事項的話，其實(shí)和買一顆定時炸彈放在身邊并沒有什么不同。
磷酸鐵鋰電池：業(yè)已成熟卻還不夠
磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料，加上其循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時率）使用，可達(dá)到2000次的循環(huán)性特點(diǎn)，再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價技術(shù)門檻和技術(shù)的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會采用磷酸鐵鋰電池?？梢哉f新能源汽車的興起，和磷酸鐵鋰電池有著不可或分的關(guān)系。
不過，磷酸鐵鋰電池有一個致命性的缺點(diǎn)，那就是低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報廢了。這對于我國幅員遼闊，冬天低氣溫的確較多的綜合國情來說，的確不是一件好事。
此外，材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差，這也是導(dǎo)致很多純電動汽車?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此，我們可以看到國內(nèi)有不少的新能源汽車（無論是純電動還是混合電動），或者是一些比較廉價的新能源汽車，會出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池?？梢哉f，磷酸鐵鋰電池的使用，對于新能源汽車量產(chǎn)落地以及推廣，都有著不可磨滅的奠基作用。
對比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢？
三元聚合物鋰電池：不安分的未來
三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。三元鋰電池能量密度更大，但安全性經(jīng)常受到懷疑。
之所以會有這樣的原因是即便這兩種材料都會在到達(dá)一定溫度時發(fā)生分解，三元鋰材料會在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡單點(diǎn)，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。
正因為三元鋰材料有這樣的安全隱患，所以廠商也在努力往抑制產(chǎn)生事故的方向走。根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性，廠商在過充保護(hù)（OVP）、過放保護(hù)（UVP）、過溫保護(hù)（OTP）、過流保護(hù)（OCP）這幾個環(huán)節(jié)上都會下不少的功夫。所以自燃事件更多是應(yīng)該考量廠商在這幾個環(huán)節(jié)的功能是否落實(shí)到位，而不是簡單的因噎廢食。
那么這兩種電池現(xiàn)在的使用情況又是怎么樣的呢？讓我們來關(guān)注一組數(shù)據(jù)。去年11月，磷酸鐵鋰電池的電動大巴裝機(jī)量占到了64.9%，三元鋰電池裝機(jī)量只有27.6%。相反，在純電動乘用車市場，三元鋰電池在去年11月的裝機(jī)量超過76%。
可以看出，三元鋰電池自身能量密度更大的優(yōu)勢，應(yīng)該是要作為未來汽車新能源存儲設(shè)備而生的。而現(xiàn)在發(fā)生相關(guān)的安全事件，在新能源汽車的普及仍然處于初級階段的時候，可以稱得上是一件好事。很多新能源汽車相關(guān)企業(yè)為了能夠完成搶占市場和獲得政策支持的雙重目標(biāo)，放寬技術(shù)要求，大量生產(chǎn)經(jīng)不起長時間反復(fù)使用的能源組件。汽車工作的環(huán)境是嚴(yán)苛的，長時間使用這些零部件，發(fā)生安全事故的原因難免大大增高。
因此我們可以認(rèn)為在中國電動車百人會上工業(yè)和信息化部裝備司司長張相木發(fā)表要對三元鋰電池客車的安全性能進(jìn)行評估，是國家有關(guān)部門有意從政策層面上進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)的界定，以促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。無論是對于消費(fèi)者還是廠商，在未來都有著相當(dāng)積極的意義。因此沒有必要因為在網(wǎng)上片面地看到三元鋰電池的安全事故消息就裹足不前，材料都是會有危險的，關(guān)鍵在于如何牢牢地控制。
不同類型新能源車的電池：統(tǒng)一要求
說完了電池的情況，筆者認(rèn)為對于新能源汽車的情況，還需要和大家簡單介紹一下電池在車輛中的作用。畢竟購買純電動汽車的消費(fèi)者仍然占少數(shù)，更多朋友所關(guān)注的是混合動力汽車。而混合動力汽車嚴(yán)格來說可以分成三種：普通混合動力汽車，插電式混合動力汽車和增程式混合動力汽車。
上面三種汽車中電池容量的排列從小到大恰好是普通混合動力汽車＜插電式混合動力汽車≤增程式混合動力汽車。普通混合動力汽車的電池不可充電，電池用于啟動和急加速狀態(tài)；插電式混合動力汽車的電池在普通混合動力汽車電池的基礎(chǔ)上增大容量且可充電，具備更加出色的加速能力和省油能力；而增程式混合動力汽車的發(fā)動機(jī)用于驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，更傾向于純電動汽車。
這三種混合動力汽車模式各有利弊，在現(xiàn)階段的主力也是以普通混合動力和插電式混合動力為主。正是因為三種混合動力汽車的特質(zhì)均有對于電池壽命和工作環(huán)境的共同點(diǎn)，因此無論是購買采用何種模式的混合動力汽車，消費(fèi)者都要留意相關(guān)的參數(shù)，如電池材質(zhì)、使用環(huán)境和最佳工作狀態(tài)等。與此同時，廠商也應(yīng)該在設(shè)計過程中嚴(yán)格把控電池質(zhì)量和相關(guān)安全設(shè)置，確保使用的安全高效。
新能源汽車的發(fā)展的關(guān)鍵，在于其使用體驗是否能夠媲美甚至超越傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，同時在購買與售后環(huán)節(jié)中是否有更加出色的優(yōu)勢。在筆者看來，新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵--電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費(fèi)者日益成長的需
