钜大LARGE | 点击量：1338次 | 2021年04月06日
磷酸铁锂和三元锂离子电池究竟哪个好？
锂离子电池经过30年的发展，比能量、比功率等性能有较大的提高，已成功应用于汽车上。受电池比能量限制，纯电动汽车续航里程有限，是制约发展的瓶颈，国外汽车厂近期规划以开发混合动力汽车为主。目前应用于锂离子电池的正极材料重要有锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料等材料，目前使用的功率型电池正极重要选用磷酸铁锂和三元两种材料。本文采用相同的电池壳盖、负极材料及内部结构设计，分别制作磷酸铁锂和三元两种正极材料的电池，比较两种电池的比能量、比功率、循环、高低温特性等性能，比较分析两种电池性能差异。
1实验
1.1实验材料选择
正极材料磷酸铁锂和镍钴锰配比为1∶1∶1的三元材料，负极选用MCMB，电解液选用EC、PC、EMC和DEC组成的混合溶剂，电解质为LiPF6作为锂盐，隔膜选用单层PP25μm。
1.2多孔膜电极与复合薄膜电极的制备
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
采用方形铝壳LP2770102电池的壳、盖及内部相同的多极耳卷绕结构，按照电池制作工艺分别制作正极材料为磷酸铁锂和三元材料的两种电池。得到磷酸铁锂离子电池平均容量、内阻、质量分别为7.2Ah、1.06m、361g；三元材料平均电池8.6Ah、1.12m、360g。
1.3分析与测试
测试条件为：三元材料电池充放电电压控制范围为2.5~4.2V，1C=7.5A，磷酸铁锂材料电池充放电电压控制范围为2.0～3.65V，1C=6.5Ah，无特殊说明测试温度为(252)℃。
2结果与讨论
2.1放电性能测试
从图1与表1可得出，相同体积电池，正极使用三元材料比使用磷酸铁锂材料放电容量高19.4%，比能量高37.5%，放电比功率高39.7%。由于三元材料质量比容量、压实密度均高于磷酸铁锂材料，所以使用三元材料电池放电有较大优势。
（a）三元材料电池放电曲线
(b)磷酸铁锂离子电池放电曲线
2.2充电性能比较
从图2和表2可见，三元材料电池与磷酸铁锂材料电池在不大于10C充电时，恒流充电容量/总容量比例无明显差距，10C以上倍率充电时，磷酸铁锂离子电池恒流充电容量/总容量比例较小，充电倍率越大，恒流充电容量/总容量比例与三元材料电池差距越明显，这重要与磷酸铁锂在30%～80%SOC是电压变化较小有关，如负极使用软碳或硬碳，磷酸铁锂离子电池大倍率充电性能够达到三元电池的水平
（a）三元材料电池充电曲线
（b）磷酸铁锂离子电池充电曲线
2.3循环性能比较
图3中三元材料电池循环3900次剩余容量66%，磷酸铁锂离子电池循环5000次剩余容量84%，循环寿命比三元材料电池，磷酸铁锂离子电池优势明显。按照剩余容量/初始容量=80%作为测试结束点，目前三元材料电池实验室1C循环寿命在2500次左右，磷酸铁锂离子电池实验室1C循环寿命在3500次以上，部分达到5000次以上。
2.4不同温度放电测试
不同温度电池的放电比较如图4所示。在55℃条件下放电，三元材料电池与磷酸铁锂在常温下比较，放电容量都没有差别，－20℃条件下放电，三元材料电池放电容量/常温容量比例比磷酸铁锂离子电池高15%，如表3所示。
（a）三元材料电池不同温度放电曲线
（b）磷酸铁锂离子电池不同温度放电曲线
本文通过制作相同结构的电池，得出三元材料与磷酸铁锂材料在HEV电池应用优缺点，三元材料在电池比能量、比功率、大倍率充电、低温性能等方面有优势，循环性能方面则是磷酸铁锂材料优势明显，在安全方面磷酸铁锂离子电池也优于三元材料。在选用电池时可根据不同用途选择，如大巴车空间较大，对电池比能量和比功率要求相对较低，可选择磷酸铁锂材料电池，发挥其循环性能好的特性，轿车空间有限，电池用量小，则选用高比能量与高比功率三元材料电池更为合适。高温下三元材料易燃，存在的安全风险比较大。中科院物理研究所研究员黄学杰表示，总结以往发生事故的相关经验来看，镍钴铝三元材料18650电池在180℃以上会出现自加热，起火后很难控制，而磷酸铁锂材料到了250℃以上才会出现放热现象，安全性相对较高。
据介绍，单从材料特性而言，两种材料到达一定温度时都会发生分解，三元锂材料大概在200℃发生分解，磷酸铁锂则在700℃~800℃时才发生分解。并且，三元锂材料的化学反应更加剧烈，会释放出氧分子，在高温用途下电解液迅速燃烧，发生连锁反应。磷酸铁锂发生分解时不会释放氧分子，燃烧也没有那么剧烈。因此，仅从锂离子电池的正极材料特性而言，三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火或发生意外事故。
同时，一个很简单的道理，电池能释放的能量越大，其存在的安全风险就越大。同比乘用车客车电池容量大，所以客车上装配三元锂离子电池提高了危险程度。比如纯电动轿车电池容量一般为几十千瓦时，而纯电动公交车电池容量高达几百千瓦时，随着电池容量的新增，电池体积也在新增，其散热性能变差，出现安全事故的可能性新增。高温是电池事故的导火索，而且客车运输人员较多，一旦出现事故其后果非常严重，可见三元锂离子电池提高了新能源客车的危险系数。
