钜大LARGE | 点击量：893次 | 2021年04月08日
三元锂离子电池是什么？为何会成为动力锂电池的新星呢？
前面的文章中我们为大家简单介绍了电动汽车的驱动电机的几种不同形式，但是其实制约电动汽车发展的核心并非电机，而是电池。电池的容量决定了巡航里程、充电时间这些用户体验最重要的部分。当然，从汽车这个工业产品角度看，决定动力锂电池的维度又要多好几个，比如安全性、能量密度、单体标称电压、使用寿命、应用成本、低温衰减能力等等，在这方面国际与国内都有严格的标准，能够上市销售的车型肯定首先要达标。
相信很多关注电动汽车的朋友关于三元锂离子电池不会陌生，大名鼎鼎的特斯拉采用的就是这种电池。而国内的电池巨头比亚迪在过去很长一段时间内一直采用的是磷酸铁锂离子电池，在今年下半年则宣布也将重点发展三元锂离子电池。那么，到底什么是三元锂离子电池？它为何会突然成为动力锂电池的宠儿呢？
三元聚合物锂离子电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料的锂离子电池，三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,里面镍钴锰的比例可以根据实际要调整。
安全性是重中之重
三元锂离子电池的特点是能量密度大，电压更高，所以同样重量的电池组电池容量更大，车子跑的距离也就更远，速度也能更快。但是其弱点在于稳点性较差，假如内部短路或是正极材料遇水，都会有明火出现。所以一般18650电池都会有一层钢壳保护，由于特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成，所以，虽然特斯拉给电池组进行了全方位的保护，但是在极端的碰撞事故中，起火隐患还是有的。
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%
之所以这样，原因是两种材料在到达一定温度时发生分解，三元锂材料会在更低的200度左右发生分解，而磷酸铁锂材料是在800度左右。并且三元锂材料的化学反映更加剧烈，会释放氧分子，在高温用途下电解液迅速燃烧，发生连锁反应。说简单点，就是三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。不过要注意的是，我们提到的是材料，而不是已经成为成品的电池。
磷酸铁锂离子电池则要稳定许多，电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧，遭到350℃的高温也不会起火（三元锂离子电池在180-250℃就扛不住了）。所以在安全性能上，磷酸铁锂离子电池略胜一筹。
正因为三元锂材料有这样的安全隐患，所以厂商也在努力往抑制出现事故的方向走。根据三元锂材料容易热解的特性，厂商在过充保护（OVP）、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）、过流保护（OCP）这几个环节上都会下不少的功夫。特斯拉之所以关于安全性有信心，就是因为它有一整套电池管理系统，能够将活性更高的三元锂离子电池管理地更好。当然，伴随着越来越多的电池公司、车企还有专业的电池管理公司在这个领域的不断研发，更多的公司也能做到优秀的电池管理，将安全性大大提升。
能量密度是核心要素
能量密度（Energydensity）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度，基本单位为Wh/kg（瓦时/千克）。电池的能量密度越大，单位体积内存储的电量越多。
比亚迪磷酸铁锂离子电池的单体能量密度为150Wh/kg，比亚迪三元锂离子电池能量密度则达到了200Wh/kg。可以看出，三元锂材料比磷酸铁锂的优势还是很明显的。深圳另外一家电池公司比克电池的三元材料动力锂电池单体电芯能量密度近220Wh/kg，在行业内算是比较高的。
在这里，不得不说国家政策关于行业的指导性也是非常明确。2017年三月一日，中央四部委印发了《促进汽车动力锂电池产业发展行动方法》通知，明确指出了将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一。
以下三点为重点：
1.到2020年，锂离子动力锂电池单体比能量大于300Wh/kg；系统比能量争取达到260Wh/kg；成本小于1元/瓦时；使用环境达-30℃到55℃；具备3C充电能力。
2.到2025年，单体比能量达500Wh/kg。
3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。
事实上，正是由于这个发展方向，三元锂离子电池的春天才算是真正到来，因为磷酸铁锂在单体能量密度上可以突破的空间不大，而三元锂离子电池的潜力则还未充分挖掘出来。
有关电池寿命的问题
三元锂离子电池的理论寿命是2000次充放电循环，但在实际使用中，当进行900次的充放电循环后，电池容量就基本衰减到了55%。也就是说充满电只能跑原来里程的一半。但假如每次电池充放电都控制在0%-50%或者25%-75%的循环中工作，即使经过3000次的充放电循环，电池容量基本还能能够保持在70%左右。但这同样要优秀的电池管理系统。
磷酸铁锂离子电池循环寿命也在2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次的循环性。不过，磷酸铁锂离子电池有一个致命的缺点，那就是低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。研究表明，一块容量为3500mAh的电池，假如在-10℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至500mAh，基本就报废了。所以在北方，这种电池的工况实在是让人担忧的。
三元锂离子电池这个名称很响亮，但具体的内容恐怕很多朋友并不清晰，要留意下。三元正极材料在电池比能量、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更好，但在寒冷环境中又变得更差。安全方面，磷酸铁锂本来是最理想的，但是三元锂的不断加强的电池管理技术加持下，逐渐得到提高。
由此我们明白，在商用车领域，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。而轿车空间有限，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。从适应政策的角度看，未来的能量密度要求更高，三元锂离子电池的潜力将得到更大的发挥。首先纠正一个概念，锂离子电池按照正负极使用的材料不同，通常分两大类：
锂金属电池，也就是使用二氧化锰为正极材料，金属锂或其合金金属为负极材料的电池；锂离子电池，使用锂合金金属氧化物为正极材料，石墨为负极材料电池。
锂金属电池其性质不够稳定而且不能充电，所以不属于二次电池。关于新能源汽车来讲，我们平时说的锂离子电池，就是指锂离子电池。
我们来看看锂离子电池的工作原理，如下图：
锂离子电池重要由正极（含锂化合物），负极（碳素材料），电解液，隔膜四个部分组成：
电池充电时，正极上锂原子电离成锂离子和电子（脱嵌），锂离子经过电解液运动到负极，得到电子，被还原成锂原子嵌入到碳层的微孔中（插入）；
电池放电时，嵌在负极碳层中的锂原子，失去电子（脱插）成为锂离子，通过电解液，又运动回正极（嵌入）；
锂离子电池的充放电过程，也就是锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程，同时伴随着等当量电子的嵌入和脱嵌。锂离子数量越多，充放电容量就越高。
分类
因正极材料不同，锂离子电池重要分为：磷酸铁锂（LFP），镍酸锂（LNO），锰酸锂（LMO），钴酸锂（LCO），以及镍钴锰酸三元锂（NCM）、镍钴铝酸三元锂（NCA），负极材料重要采用石墨碳材料。
各类型的化学成分，结构以及重要性能比较如下：
技术路线
基于上表，我们来理一理不同类型锂离子电池在市场的应用情况。
先说说钴酸锂，作为锂离子电池的鼻祖，当然也可能是作为动力锂电池先试试水，最先用在特斯拉Roadster上，但由于其循环寿命和安全性都较低，事实证明其并不适用作为动力锂电池。为了弥补这个缺点，特斯拉运用了号称世界上最优秀的电池管理系统来保证电池的稳定性。钴酸锂目前在3C领域的市场份额很大。
第二是锰酸锂离子电池，重要最先由电池公司AESC提出，这个AESC来头可不小，是日产和日本电气股份有限公司（NEC）的合资。锰酸锂代表车型是为日产聆风，由于其价格低，能量密度中等，安全性也一般，具有所谓的较好综合性能。所谓成也萧何败也萧何，也是正因为这种不温不火的特性，其逐步被新的技术所替代。
接着是磷酸铁锂，作为比亚迪的主打，其稳定好，寿命长，且具有成本优势，特别适用于要经常充放电的插电式混合动力汽车，但其缺点是能量密度一般。
最后是三元锂离子电池，作为冉冉升起的新星，能量密度可达最高，但安全性相对较差。关于续航里程有要求的纯电动汽车，其前景更广，是目前动力锂电池主流方向。
