電池種類對電動車性能有啥影響？磷酸鐵鋰和三元鋰到底哪個好？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-13 11:15
點擊量：次
相信很多人都聽說過，新能源車用的動力電池分為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。那么，這兩種不同材質(zhì)的電池在性能上有些什么樣的區(qū)別？是什么造成了這些區(qū)別呢？由于政府補貼傾向性的變化，過去在磷酸鐵鋰電池領(lǐng)域已經(jīng)實現(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。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。
fadafa
▲鋰電池的基本充放電原理圖
負(fù)極材料其實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行改進的原因。我們常說的三元鋰和磷酸鐵鋰，指的都是正極材料。
adfagag
▲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。有實驗驗證過，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總成
磷酸鐵鋰的另一個優(yōu)點是安全性高?？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。因為客車載客人數(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：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。
包括日系廠商的雅閣、凱美瑞混動版，現(xiàn)在最新銷售的車型也都在使用三元鋰電池。使用三元鋰之后，由于能量密度顯著提高、電池體積減小、重量減輕，給乘員艙或后備箱騰出了更多實用空間。所以，整體來說，三元鋰電池在當(dāng)下政策環(huán)境下?lián)碛懈用黠@的優(yōu)勢。
動力電池和手機電池都是鋰離子蓄電池，工作原理類似，但分為不同種類
與手機電池不同，動力電池是高壓電池，能量密度高，儲存電能多
動力電池按形狀分為方形、圓形和軟包；按正極材料分為三元鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等
不同形狀和材料的電池各有優(yōu)劣，決定電池性能、續(xù)航、壽命、安全性等因素
動力電池最小單位是電芯，電芯組成模組，模組配上其他結(jié)構(gòu)組成電池包/系統(tǒng)
本質(zhì)上，電動車動力電池和手機電池同屬于鋰離子蓄電池，屬于二次電池，工作原理都是通過鋰離子在電池的正、負(fù)極間來回的流動，完成充、放電過程
動力電池不像手機和家用電池小巧、輕薄，它的體積大，結(jié)構(gòu)、技術(shù)更復(fù)雜；同時，與乘用車上搭載的其他電池相比，動力電池有很多特點：如大容量、高能量密度、高電壓等等，通常電壓可達300-400V、儲存的電能達到幾十甚至過百千瓦時、而重量可達幾百公斤甚至更重。
車廠會根據(jù)量產(chǎn)車的性能、續(xù)航、壽命、安全性、成本和售價等需求，選擇不同種類的電池。
一、外形
和手機電池一樣，為了把動力電池塞到不同的車型中，電池“造型”也各種各樣。“外在”形狀上，電池有方形、圓柱形和軟包三種。
其中方形電池是行業(yè)的主流和趨勢，各大車企、電池廠商均在這方面投入很多。因為其設(shè)計結(jié)構(gòu)的特點，使得電芯相對安全穩(wěn)定，便于控溫、排壓排爆；同時方形的形狀也易于電池廠商發(fā)揮原材料優(yōu)勢，做到較高能量密度，并易于根據(jù)車型、底盤的需要進行組合，所以很多車企會使用不同數(shù)量的方形電池模組適配自家不同的車型。
圓柱形電池誕生的很早，以現(xiàn)在采用較多的18650電池（其實就是傳統(tǒng)5號電池）為例，其生產(chǎn)穩(wěn)定性上有優(yōu)勢，品牌比較多的是sony、松下、LG那些日本廠商，大家平常使用的手機充電寶里用的基本都是圓柱形蓄電池。但圓柱電池體積利用率相對差，可以想一下，就算貼的再近，每四節(jié)電池中間也一定有縫隙；因為體積小，每節(jié)電池能攜帶的能量少，電動車內(nèi)需要使用的數(shù)量很多，所以對BMS熱管理的要求相對更高一些。
