對比分析磷酸鐵鋰和三元鋰電池兩種電池性能差異！
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-13 16:44
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鋰離子電池經(jīng)過30年的發(fā)展，比能量、比功率等性能有較大的提高，已成功應用于汽車上。受電池比能量限制，純電動汽車續(xù)航里程有限，是制約發(fā)展的瓶頸，國外汽車廠近期規(guī)劃以開發(fā)混合動力汽車為主。目前應用于鋰離子電池的正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料等材料，目前使用的功率型電池正極主要選用磷酸鐵鋰和三元兩種材料。本文采用相同的電池殼蓋、負極材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別制作磷酸鐵鋰和三元兩種正極材料的電池，比較兩種電池的比能量、比功率、循環(huán)、高低溫特性等性能，對比分析兩種電池性能差異。
磷酸鐵鋰電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池證。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)?？剂?，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。隨著中國加入WTO，中國電動自行車的出口量將迅速增大，而進入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。
但有專家表示，鉛酸電池造成的環(huán)境污染，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過程和回收處理環(huán)節(jié)。同理，鋰電池屬于新能源行業(yè)不錯，但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學物質(zhì)，所以有可能會產(chǎn)生兩種污染：一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染；二是報廢以后的電池污染。
磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。
動力電池的對比
目前最有希望應用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內(nèi)混合使用。
行業(yè)應用
涂碳鋁箔為鋰電產(chǎn)業(yè)帶來技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)提升；提升鋰電產(chǎn)品性能，改善放電倍率。
隨著國內(nèi)電池廠商對電池性能要求的日益提高，國內(nèi)普遍認同新能源電池材料：導電材料、導電涂層鋁箔、銅箔。
其優(yōu)勢在于：在處理電池材料的時候，常擁有高倍率充放電性能好，較大比容量，但循環(huán)穩(wěn)定性較差，衰減較為嚴重等原因，不得不做取舍放棄。
這是個神奇的涂層，將電池的性能提高，帶入新紀元。
導電涂層是由分散好的納米導電石墨包覆顆粒等所組成。它能提供極佳的靜態(tài)導電性能，是一層保護能量吸收層。它也能提供好的遮蓋防護性能。涂層有水性的和溶劑性的，能應用在鋁片，銅片，不銹鋼，鋁和鈦雙極板上。
涂碳涂層對鋰電池的性能帶來以下提升：
1. 降低電池內(nèi)阻，抑制充放電循環(huán)過程中的動態(tài)內(nèi)阻增幅；
2. 顯著提高電池組的一致性，降低電池組成本；
3. 提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片制造成本；
4. 減小極化，提高倍率性能，減低熱效應；
5. 防止電解液對集流體的腐蝕；
6. 綜合因子進而延長電池使用壽命；
7. 涂層厚度：常規(guī)單面厚1～3μm。
日本和韓國近幾年主要開發(fā)以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動力型鋰離子電池，如豐田和松下合資成立的Panasonic EV能源公司、日立、索尼、新神戶電機、NEC、三洋電機、三星以及LG等。
美國主要開發(fā)以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰離子電池，如A123系統(tǒng)公司、Valence公司，但美國的主要汽車廠家在其PHEV與EV中卻選擇錳基正極材料體系動力型鋰離子電池，并且據(jù)說美國A123公司在考慮進軍錳酸鋰材料領(lǐng)域，而德國等歐洲國家主要采取和其它國家電池公司合作的方式發(fā)展電動汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft聯(lián)盟、德國大眾與日本三洋協(xié)議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發(fā)和生產(chǎn)動力型鋰離子電池。
1.1 實驗材料選擇
正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳配比為1∶1∶1 的三元材料，負極選用MCMB，電解液選用EC、PC、EMC 和DEC 組成的混合溶劑，電解質(zhì)為LiPF6 作為鋰鹽，隔膜選用單層PP25 μm。
1.2 多孔膜電極與復合薄膜電極的制備
采用方形鋁殼LP2770102 電池的殼、蓋及內(nèi)部相同的多極耳卷繞結(jié)構(gòu)，按照電池制作工藝分別制作正極材料為磷酸鐵鋰和三元材料的兩種電池。得到磷酸鐵鋰電池平均容量、內(nèi)阻、質(zhì)量分別為7.2 Ah、1.06 mΩ、361 g；三元材料平均電池8.6 Ah、1.12 mΩ、360 g。
1.3 分析與測試
測試條件為：三元材料電池充放電電壓控制范圍為2.5~4.2 V，1 C =7.5 A，磷酸鐵鋰材料電池充放電電壓控制范圍為2.0～3.65 V，1 C =6.5 Ah，無特殊說明測試溫度為(25±2)℃。
2、結(jié)果與討論
2.1 放電性能測試
從圖1 與表1 可得出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高19.4%，比能量高37.5%，放電比功率高39.7%。由于三元材料質(zhì)量比容量、壓實密度均高于磷酸鐵鋰材料，所以使用三元材料電池放電有較大優(yōu)勢。
2.2 充電性能比較
從圖2 和表2 可見，三元材料電池與磷酸鐵鋰材料電池在不大于10 C 充電時，恒流充電容量/ 總?cè)萘勘壤裏o明顯差距，10 C 以上倍率充電時，磷酸鐵鋰電池恒流充電容量/ 總?cè)萘勘壤^小，充電倍率越大，恒流充電容量/ 總?cè)萘勘壤c三元材料電池差距越明顯，這主要與磷酸鐵鋰在30%～80%SOC 是電壓變化較小有關(guān)，如負極使用軟碳或硬碳，磷酸鐵鋰電池大倍率充電性能夠達到三元電池的水平。
2.3 循環(huán)性能比較
圖3 中三元材料電池循環(huán)3 900 次剩余容量66%，磷酸鐵鋰電池循環(huán)5 000 次剩余容量84%，循環(huán)壽命比三元材料電池，磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢明顯。按照剩余容量/ 初始容量=80%作為測試結(jié)束點，目前三元材料電池實驗室1 C 循環(huán)壽命在2 500 次左右，磷酸鐵鋰電池實驗室1 C 循環(huán)壽命在3 500 次以上，部分達到5 000 次以上。
2.4 不同溫度放電測試
不同溫度電池的放電比較如圖4 所示。在55 ℃條件下放電，三元材料電池與磷酸鐵鋰在常溫下比較，放電容量都沒有差別，－20 ℃條件下放電，三元材料電池放電容量/ 常溫容量比例比磷酸鐵鋰電池高15%，如表3 所示。
3、結(jié)論
本文通過制作相同結(jié)構(gòu)的電池，得出三元材料與磷酸鐵鋰材料在HEV 電池應用優(yōu)缺點，三元材料在電池比能量、比功率、大倍率充電、低溫性能等方面有優(yōu)勢，循環(huán)性能方面則是磷酸鐵鋰材料優(yōu)勢明顯，在安全方面磷酸鐵鋰電池也優(yōu)于三元材料。在選用電池時可根據(jù)不同用途選擇，如大巴車空間較大，對電池比能量和比功率要求相對較低，可選擇磷酸鐵鋰材料電池，發(fā)揮其循環(huán)性能好的特性，轎車空間有限，電池用量小，則選用高比能量與高比功率三元材料電池更為合適。
