磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-12 13:43
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最近幾年，新能源汽車異?；鸨?，促使國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池行業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心，電動(dòng)汽車使用的電池主要是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池，下面主要討論磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)新能源汽車主要使用的是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，但磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的理論能量密度有限，磷酸鐵鋰電池單體能量密度為120Wh/kg，成組后能量密度為80Wh/kg，因此現(xiàn)企業(yè)正在積極研發(fā)能量密度更高的磷酸鐵錳鋰材料新型動(dòng)力鋰電池。而三元電池能量密度較高，三元鋰電池單體能量密度為180Wh/kg，成組后110Wh/kg，相應(yīng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯。因此在能量密度方面，三元鋰電池優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。
從安全性上來(lái)講，磷酸鐵鋰電池比三元電池更具有優(yōu)勢(shì)。原因在于三元材料中鎳鈷鋁18650電池超過(guò)180℃就會(huì)自加熱，起火后很難控制，而磷酸鐵鋰材料到250℃才會(huì)發(fā)生放熱現(xiàn)象。從循環(huán)壽命方面來(lái)講，磷酸鐵鋰電池與三元電池相當(dāng)，單體電芯的循環(huán)壽命在3000次以上，成組后，因工作環(huán)境復(fù)雜，使用壽命有所下降。
總的來(lái)講，磷酸鐵鋰電池理論能量密度有限，沒(méi)有提升的空間，而三元鋰電池還有很大的提升空間，但是三元電池的安全性沒(méi)有磷酸鐵鋰電池高，兩者的循環(huán)壽命相當(dāng)。因兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。動(dòng)力電池企業(yè)應(yīng)該要更加注重電池的安全，加強(qiáng)生產(chǎn)監(jiān)控，嚴(yán)格保證質(zhì)量，才能保證新能源汽車的使用安全和乘用人的人身安全。
滿電態(tài)的LFP的放熱明顯高于NCM材料，這對(duì)于電池內(nèi)部電解液穩(wěn)定性、隔膜穩(wěn)定性都會(huì)造成不良影響。說(shuō)明LFP阻抗大產(chǎn)熱高，熱導(dǎo)率比NCM差； TMA：熱膨脹 LFP＞NCM； 質(zhì)量變化 LFP＞NCM。NCM材料熱跟蹤段自約60℃開(kāi)始，LFP-99℃開(kāi)始。NCM 材料在410℃達(dá)到溫峰，LFP在366℃達(dá)到溫峰。對(duì)比，在350℃內(nèi)NCM的反應(yīng)熱變化明顯高于LFP，NCM材料熱跟蹤閥值低于LFP，反應(yīng)速率NCM高于LFP，但熱焓增加LFP為突發(fā)性的，NCM則表現(xiàn)為線性熱焓變，所以在進(jìn)行熱跟蹤采集監(jiān)控上NCM更好于LFP，更適合于動(dòng)力應(yīng)用。
以上從材料、結(jié)構(gòu)、體系的產(chǎn)熱作以分析，但就LFP和NCM做正極材料來(lái)下結(jié)論電池安不安全是不科學(xué)的，電池的安全性不單取決于一種正極材料，假設(shè)即便取決于材料也絕不是正極材料，如果達(dá)到正極材料的熱失控溫度點(diǎn)或反應(yīng)溫度拐點(diǎn)，好多有機(jī)材料早就著了，故在鋰離子電池制造中材料間的相容度、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、體系設(shè)計(jì)、電池制造環(huán)境因素、電池的工藝控制，電池組設(shè)計(jì)集成技術(shù)、電池組熱管理與充放電控制，電池的使用管理等諸多因素都會(huì)對(duì)電池造成安全隱患。故單從三元材料的使用就影響電池的安全性說(shuō)法是不負(fù)責(zé)任的也是不科學(xué)的，另，擬停止使用三元材料電池的作法更是荒誕，試問(wèn)目前國(guó)內(nèi)外著火的車輛中那個(gè)又少了LFP材料作的電池呢？
安全性：限制三元材料在商用電動(dòng)車上應(yīng)用無(wú)疑是從材料的安全性上考慮的，那我們來(lái)分析兩款材料的實(shí)際安全性。磷酸亞鐵鋰電池比較三元材料電池安全的理論依據(jù)：行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為磷酸亞鐵鋰材料比三元材料安全性更好，所以大型商務(wù)電動(dòng)車不可以用三元材料而要使用磷酸亞鐵鋰材料就是基于上面的幾種材料的熱分析得出的數(shù)據(jù)。磷酸亞鐵鋰的熱分解溫度在270℃，沒(méi)有包覆的鎳酸鋰材料的熱分解溫度在214℃。而且磷酸亞鐵鋰分解產(chǎn)熱比較少，這就是磷酸亞鐵鋰比三元材料更安全的理論基礎(chǔ)。
這個(gè)理論依據(jù)移植到鋰離子電池體系會(huì)是什么樣的，我們從材料到電池體系的角度分析又會(huì)是什么樣的情形。
動(dòng)力電池路線之爭(zhēng)：三元鋰or磷酸鐵鋰 有所限制可行嗎？
A、現(xiàn)在動(dòng)力電池所使用的不管是111或者523的鎳鈷錳三元材料，由于錳的加入和氧化鋁的包覆，其分解析氧溫度都達(dá)到230℃，材料本身和磷酸亞鐵鋰的熱分解溫度在減小。
B、鋰離子電池體系中PP隔膜的熱熔溫度在135-140℃，PE隔膜的熱熔溫度在125-130℃，經(jīng)過(guò)150℃高溫烘烤的電池拆開(kāi)內(nèi)部隔膜都已經(jīng)熔化，正負(fù)極已經(jīng)短路。鋰離子電池發(fā)生著火爆炸的最大原因在于內(nèi)部短路造成正負(fù)極直接接觸產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致連鎖反應(yīng)（正負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)熱、負(fù)極與電解液反應(yīng)、六氟磷酸鋰分解產(chǎn)熱導(dǎo)致溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，同時(shí)電解液溶劑氣化導(dǎo)致電池內(nèi)壓增大也加速內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度。
C、 鋰離子電池體系的有機(jī)電解液的沸點(diǎn)都比較低，溶劑組分的沸點(diǎn)從80-150℃不等，溶質(zhì)六氟磷酸鋰的熱分解溫度也低于100℃，而且有機(jī)溶劑都是易燃物，這個(gè)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎳鈷錳三元材料的熱分解溫度。
D、在鋰離子電池的破壞性測(cè)試過(guò)程中，不管是磷酸亞鐵鋰為正極的電池還是鎳鈷錳三元材料正極的電池，在加熱超過(guò)180℃的情況下，都會(huì)發(fā)生起火爆炸，而這個(gè)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于三元材料或者磷酸亞鐵鋰材料的分解溫度。也就是說(shuō)發(fā)生的鋰離子電池著火爆炸根本原因不是正極材料的熱分解溫度低30℃造成的著火爆炸。
總之，材料的安全并不意味著電池的安全，磷酸鐵鋰代表安全是一個(gè)偽命題，不管是磷酸亞鐵鋰還是三元材料的電池發(fā)生起火爆炸都是在材料的熱分解溫度之下發(fā)生的。鎳鈷錳三元材料并不是鋰離子電池發(fā)生安全事故的最短板。電池的安全是個(gè)大系統(tǒng)的安全，包括正極材料之外的所有原材料，科學(xué)的電池設(shè)計(jì)、可控的低缺陷的高CPK的工藝制程、全流程的品質(zhì)管控、可靠性高的自動(dòng)化設(shè)備和生產(chǎn)員工的自動(dòng)化理念。磷酸亞鐵鋰就等于安全是不對(duì)的，這種觀念在電池行業(yè)理解的還是比較清楚的，但是這種觀點(diǎn)傳播開(kāi)了，非鋰電池行業(yè)的就會(huì)把它當(dāng)成真理去傳播。
