【1】什么是磷酸鐵鋰電池

 

所謂磷酸鐵鋰電池，就是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。這一類電池的特點(diǎn)是不含貴重金屬元素(比如鈷等)。在實(shí)際使用中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫，安全穩(wěn)定性強(qiáng)，價(jià)格便宜，循環(huán)性能更好的優(yōu)勢(shì)。

 

【2】什么是三元材料鋰電池

 

而三元材料鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰做為正極材料，石墨作為負(fù)極材料的鋰電池。與磷酸鐵鋰不同，三元鋰電池電壓平臺(tái)很高，這也就意味著在相同的體積或是重量下，三元鋰電池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充電、和耐低溫性能等方面，三元鋰電池也有很大的優(yōu)勢(shì)。

 

【3】主要區(qū)別

?鐵鋰標(biāo)稱電壓3.2-3.3V，錳系3.6-3.7V，這個(gè)是最明顯的區(qū)別。

 

?鐵鋰體系的優(yōu)點(diǎn)：理論壽命長(zhǎng)，理論耐過(guò)充過(guò)放性能優(yōu)良。

 

?三元體系的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，低溫性能好，體積小，放電線性好。

 

?鐵鋰的缺點(diǎn)：體積大，重量大，放電線性不好，低溫性能差。

 

?三元體系的缺點(diǎn)：循環(huán)壽命略差，高溫條件下壽命差。

 

單論電池，也沒(méi)有所謂的誰(shuí)更好誰(shuí)更差。只是套用到實(shí)際使用場(chǎng)景中，三元鋰電池相比磷酸鐵鋰電池，更加適應(yīng)現(xiàn)在以及未來(lái)的家用電動(dòng)汽車。

 

 

 

 

  三元材料適合新能源汽車

 

【1】低溫放電性能更好

 

我國(guó)幅員遼闊，氣候復(fù)雜，從最北端的東北三省到最南端的海南諸島溫度變化非常豐富。以北京為例，作為電動(dòng)汽車的主力市場(chǎng)，北京夏季最高溫度在40℃左右，而冬季則基本保持在零下16℃左右，甚至更低。這樣的溫度區(qū)間顯然適合低溫性能更佳的三元鋰電池。而注重耐高溫性能的磷酸鐵鋰電池在北京的冬季會(huì)顯得有些乏力。

 

 

 

“相對(duì)25℃容量”是指不同溫度條件下放電容量與25℃時(shí)放電容量的比值。該數(shù)值能夠準(zhǔn)確反映出電池在不同溫度條件下續(xù)航的衰減，越接近100%，電池表現(xiàn)越好。

 

從上圖中能夠看出，以25℃為基準(zhǔn)常溫，兩類電池在55℃高溫下放電與常溫25℃下放電，放電容量幾乎沒(méi)有差別。但在零下20℃時(shí)，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

【2】能量密度更高

 

根據(jù)國(guó)內(nèi)三元材料18650圓柱電池龍頭企業(yè)——比克電池提供的資料，其18650電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了232Wh/kg，后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前國(guó)內(nèi)主流的磷酸鐵鋰電池能量密度也僅達(dá)到150Wh/kg左右，據(jù)國(guó)內(nèi)電池行業(yè)專家剖析，未來(lái)幾年之內(nèi)，磷酸鐵鋰電池的能量密度能夠達(dá)到300Wh/kg的希望非常渺茫。

 

不同于體積龐大的電動(dòng)巴士，對(duì)于家用電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，空間永遠(yuǎn)是第一位的。能量密度較低的磷酸鐵鋰電池將會(huì)占據(jù)原本就不多的汽車空間，并且由于更重的質(zhì)量，在使用時(shí)的放電續(xù)航也會(huì)受到比較大的影響。相對(duì)而言能量密度較高的三元鋰電池在解決重量問(wèn)題的同時(shí)也為家庭用車節(jié)省出了空間。

 

【3】充電效率更高

 

除了續(xù)航之外，充電也是電動(dòng)汽車在實(shí)際使用中的重要環(huán)節(jié)，而三元鋰電池在充電效率方面較磷酸鐵鋰電池有著非常大的優(yōu)勢(shì)。

 

 

 

目前市面上較為常見(jiàn)的充電方式為恒流恒壓式充電。一般在充電開(kāi)始時(shí)先采用恒流充電，此時(shí)的電流較大，充電效率相對(duì)更高。而在電壓達(dá)到一定數(shù)值之后，降低電流改為恒壓充電，這樣可以讓電池充的比較滿一些。在這個(gè)過(guò)程中，恒流充電容量與電池總?cè)萘康谋戎?，稱為恒流比。它是衡量一組電池在充電過(guò)程中充電效率的關(guān)鍵數(shù)值。

 

通常百分比越大說(shuō)明在恒流階段充入的電量越高，也就證明該電池的充電效率更高。

 

從表中可以看出，三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池在10C以下充電時(shí)，恒流比無(wú)明顯差距，10C以上倍率充電時(shí)，磷酸鐵鋰電池恒流比例迅速降低，充電效率迅速降低。正如電動(dòng)車當(dāng)中的電池包一樣，儲(chǔ)氫罐是用來(lái)存儲(chǔ)氫氣的設(shè)備，燃料電池反應(yīng)堆是用來(lái)把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能和水的設(shè)備。這兩者加在一起，就構(gòu)成了相當(dāng)于電動(dòng)汽車的電池包，能夠持續(xù)為電機(jī)和整車電器設(shè)備提供電力。

 

氫燃料電池的好處顯而易見(jiàn)，電力轉(zhuǎn)換效率極高，而且過(guò)程中十分安靜，也不會(huì)需要大量散熱。這就是為什么豐田Mirai僅僅攜帶 5kg 氫氣就能續(xù)航700公里+的原因。極大的能量密度和極高的能量轉(zhuǎn)換效率，是氫燃料電池最大的特點(diǎn)。燃料電池反應(yīng)堆的核心技術(shù)是質(zhì)子交換膜以及催化劑，這些技術(shù)目前主要被歐美大公司所壟斷，在中國(guó)并沒(méi)有形成太大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。所以反應(yīng)堆被列為核心技術(shù)就很容易理解了，那么儲(chǔ)氣罐為什么也是核心技術(shù)呢？

 

■ 密封和耐久性能的好壞，決定了儲(chǔ)氣罐的性能

 

就如同一個(gè)大國(guó)的裝備制造水平一樣，在工業(yè)和民用領(lǐng)域，密封材料的性能也是衡量一個(gè)大國(guó)制造業(yè)水平的重要依據(jù)。歐美很多國(guó)家對(duì)于高性能密封材料的配方和制造工藝是絕對(duì)保密的。這就是為什么在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，那些頂級(jí)性能的剎車系統(tǒng)和汽油柴油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油共軌系統(tǒng)都來(lái)自于歐美供應(yīng)商，因?yàn)樗鼈兊暮诵募夹g(shù)就是密封技術(shù)。

 

電池，氫燃料電池,三元鋰電池

▲氫燃料電池儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)

 

對(duì)于氫燃料電池車也是這樣，要想提高續(xù)航里程就需要多謝帶氫氣，而能夠儲(chǔ)存氫氣的壓力容器對(duì)于壓力的承受力，就是能夠攜帶氫氣多少的關(guān)鍵。正因?yàn)闅錃獾拿芏群苄?，所以必須?jīng)過(guò)壓縮甚至是低溫液化后，儲(chǔ)存在壓力容器當(dāng)中才能獲得足夠的能量密度，容器可承受的壓力越大，單位體積內(nèi)攜帶的氫氣就越多。而容器可承受壓力越大，也意味著對(duì)密封性能和抗壓性能的要求越高。豐田Mirai在氫氣儲(chǔ)存方面的性能是世界領(lǐng)先的，并且車型已經(jīng)量產(chǎn)，即便這樣，攜帶5kg的氫氣仍然需要兩個(gè)很大的儲(chǔ)氣罐，因此占據(jù)了車內(nèi)后部的很多空間，使得整車在造型上有別于傳統(tǒng)電動(dòng)車，車尾高度相對(duì)較高。

 

電池，氫燃料電池,三元鋰電池

▲如此巨大的儲(chǔ)氫罐占用了大量空間，并且僅能儲(chǔ)存5kg氫氣

 

■ 儲(chǔ)氫罐對(duì)于安全性的設(shè)計(jì)有哪些？與三元鋰電池相比誰(shuí)更安全？

 

在整個(gè)燃料電池車運(yùn)作的過(guò)程中，燃料電池反應(yīng)堆是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。它只需要源源不斷的供給少量氫氣就可以持續(xù)工作，如果發(fā)生氫氣泄漏或者安全事故，可以迅速切斷供應(yīng)氫氣的路徑來(lái)防止氫氣的燃燒。大家都能想到，最有可能影響燃料電池車安全性的是儲(chǔ)氣罐。

 

所以在設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣罐時(shí)必須充分考慮安全碰撞問(wèn)題：一方面儲(chǔ)氣罐的殼體材料需要夠輕，另一方面需要有足夠的強(qiáng)度用于耐受撞擊。因此，儲(chǔ)氫罐一般都是以成本高昂的碳纖維及其它復(fù)合材料組合而成。但是，我們知道，不管用多么堅(jiān)固的材料制造儲(chǔ)氣罐殼體，也只是在一定的速度條件下，能保障碰撞的安全性。然而實(shí)際道路行駛時(shí)的速度，肯定要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室做安全碰撞的速度，那么一旦儲(chǔ)氫罐破裂，造成氫氣泄漏與空氣混合在一起是不是就會(huì)馬上發(fā)生爆炸呢？

 

事實(shí)上，在儲(chǔ)氫的設(shè)計(jì)中都考慮到了這一點(diǎn)。正因?yàn)閮?chǔ)氫罐內(nèi)部的氫氣壓力很大，所以在儲(chǔ)氣罐上設(shè)計(jì)有緊急泄壓閥，一旦發(fā)生氫氣泄漏或著火，緊急泄壓閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)并迅速釋放儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氫氣。我們知道氫氣的密度比空氣小得多，并且必須與氧氣結(jié)合才能產(chǎn)生燃燒或者爆炸，被高壓釋放的氫氣在靠近儲(chǔ)氣罐的部分由于壓力高流速極快，沒(méi)有什么機(jī)會(huì)與氧氣接觸，而遠(yuǎn)離儲(chǔ)氣罐的氫氣由于其密度小的特點(diǎn)，又會(huì)迅速的在空氣中上升。即便這個(gè)時(shí)候空氣當(dāng)中有明火能夠滿足引燃條件，那么也僅僅只是在空氣上空形成一個(gè)火球，并不會(huì)對(duì)人員造成傷亡。這種高速釋放氫氣的技術(shù)也同樣被應(yīng)用在加氫站的大型儲(chǔ)氣罐之中。

 

電池，氫燃料電池,三元鋰電池

▲氫燃料電池汽車的核心科技

 

與三元鋰電池相比，氫氣儲(chǔ)存過(guò)程當(dāng)中的安全性應(yīng)該是更高的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)隔絕氧氣，或者迅速釋放的方式，讓危險(xiǎn)的氫氣迅速逃離人群，某種意義上來(lái)講甚至比液態(tài)的汽油更安全。而三元鋰電池會(huì)隨著時(shí)間的推移電池的老化，有可能在內(nèi)部發(fā)生短路的現(xiàn)象，或者因外力的撞擊導(dǎo)致內(nèi)部的短路自燃。最可怕的是，無(wú)論是由內(nèi)而外引發(fā)的自燃還是由外而內(nèi)導(dǎo)致的燃燒，過(guò)程中都會(huì)釋放大量氧氣，這就意味著即便與空氣隔絕，電池也會(huì)越燒越旺。