钜大LARGE | 点击量：6437次 | 2018年05月01日
深度，磷酸铁锂电池与三元锂电池的剖析
磷酸铁锂电池：是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其特色是不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题。其工作电压适中(3.2V)、单位重量下电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高。
优点相比目前市面上较为常见的钴酸锂和锰酸锂电池来说，磷酸铁锂电池至少具有以下五大优点：更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属(原材料成本低)、支持快速充电、工作温度范围广。
缺点磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低;材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差;产品一致性差;知识产权问题。
三元聚合物锂电池：正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料的锂电池。据清华大学欧阳明高解释：本次调查中所称的"三元"材料，指的是正极是三元，负极是石墨的通常说法中的"三元动力电池"。而在实际研发应用中，还有一种正极是三元，负极是钛酸锂的，通常被称为"钛酸锂"，其性能比较安全，寿命比较长，不属于普通所说的"三元材料。"
优点三元锂电池能量密度高，循环性能好于正常钴酸锂。目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。
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%
缺点三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等，由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致高温安全性差，且pH值过高易使单体胀气，进而引发危险，目前造价较高。
导读：对比之下，三元聚合物锂电池的确有着更优于磷酸铁锂电池的特质，然而为什么它的发展却受到了阻碍呢?新能源汽车的发展关键，同样是困扰着移动数码产品的关键——电池的发展。如何在安全的情况下保证电池技术能够满足消费者日益成长的需求，不仅是汽车科技相关行业人员，还是科研工作者在全领域的追求
说到要买新能源汽车，可能大部分的消费者第一时间想起的是“政策优惠”，虽然这有点尴尬但确实是相当实在的原因。在国内的销售环境中，新能源汽车要打开局面，可不仅仅是因为“环保”这样的任重道远的使命感。新能源车在售价和养护成本上的优势的确吸引了大部分现阶段仍然以用车成本为主的消费者的喜爱。
然而可能某些消费者的脚步会因为某些原因暂时停下对新能源车的好奇，这是因为多少都会被新能源车各种自燃的事件心有余悸。而这也正是笔者今天为什么要写这篇文章的原因。须知道不了解新能源车的根本--能源模块的优劣，而且不了解使用过程中需要注意的事项的话，其实和买一颗定时炸弹放在身边并没有什么不同。
磷酸铁锂电池：业已成熟却还不够
磷酸铁锂电极材料是目前最安全的锂离子电池正极材料，加上其循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2000次的循环性特点，再加上由于产业成熟而带来的价技术门槛和技术的下降，使得很多厂商出于各种因素考虑都会采用磷酸铁锂电池。可以说新能源汽车的兴起，和磷酸铁锂电池有着不可或分的关系。
不过，磷酸铁锂电池有一个致命性的缺点，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，如果在-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。这对于我国幅员辽阔，冬天低气温的确较多的综合国情来说，的确不是一件好事。
此外，材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差，这也是导致很多纯电动汽车续航能力并不能达到标称值的重要原因。因此，我们可以看到国内有不少的新能源汽车(无论是纯电动还是混合电动)，或者是一些比较廉价的新能源汽车，会出于不同的原因选择磷酸铁锂电池。可以说，磷酸铁锂电池的使用，对于新能源汽车量产落地以及推广，都有着不可磨灭的奠基作用。
对比之下，三元聚合物锂电池的确有着更优于磷酸铁锂电池的特质，然而为什么它的发展却受到了阻碍呢?
三元聚合物锂电池：不安分的未来
三元聚合物锂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需要调整。三元锂电池能量密度更大，但安全性经常受到怀疑。
之所以会有这样的原因是即便这两种材料都会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，在高温作用下电解液迅速燃烧，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。不过需要注意的是，我们提到的是材料，而不是已经成为成品的电池。
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产生事故的方向走。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。所以自燃事件更多是应该考量厂商在这几个环节的功能是否落实到位，而不是简单的因噎废食。
那么这两种电池现在的使用情况又是怎么样的呢?让我们来关注一组数据。去年11月，磷酸铁锂电池的电动大巴装机量占到了64.9%，三元锂电池装机量只有27.6%。相反，在纯电动乘用车市场，三元锂电池在去年11月的装机量超过76%。
可以看出，三元锂电池自身能量密度更大的优势，应该是要作为未来汽车新能源存储设备而生的。而现在发生相关的安全事件，在新能源汽车的普及仍然处于初级阶段的时候，可以称得上是一件好事。很多新能源汽车相关企业为了能够完成抢占市场和获得政策支持的双重目标，放宽技术要求，大量生产经不起长时间反复使用的能源组件。汽车工作的环境是严苛的，长时间使用这些零部件，发生安全事故的原因难免大大增高。
因此我们可以认为在中国电动车百人会上工业和信息化部装备司司长张相木发表要对三元锂电池客车的安全性能进行评估，是国家有关部门有意从政策层面上进行一次标准的界定，以促进行业标准的产生。无论是对于消费者还是厂商，在未来都有着相当积极的意义。因此没有必要因为在网上片面地看到三元锂电池的安全事故消息就裹足不前，材料都是会有危险的，关键在于如何牢牢地控制。
不同类型新能源车的电池：统一要求
说完了电池的情况，笔者认为对于新能源汽车的情况，还需要和大家简单介绍一下电池在车辆中的作用。毕竟购买纯电动汽车的消费者仍然占少数，更多朋友所关注的是混合动力汽车。而混合动力汽车严格来说可以分成三种：普通混合动力汽车，插电式混合动力汽车和增程式混合动力汽车。
上面三种汽车中电池容量的排列从小到大恰好是普通混合动力汽车<插电式混合动力汽车≤增程式混合动力汽车。普通混合动力汽车的电池不可充电，电池用于启动和急加速状态;插电式混合动力汽车的电池在普通混合动力汽车电池的基础上增大容量且可充电，具备更加出色的加速能力和省油能力;而增程式混合动力汽车的发动机用于驱动电机发电，更倾向于纯电动汽车。
这三种混合动力汽车模式各有利弊，在现阶段的主力也是以普通混合动力和插电式混合动力为主。正是因为三种混合动力汽车的特质均有对于电池寿命和工作环境的共同点，因此无论是购买采用何种模式的混合动力汽车，消费者都要留意相关的参数，如电池材质、使用环境和最佳工作状态等。与此同时，厂商也应该在设计过程中严格把控电池质量和相关安全设置，确保使用的安全高效。
新能源汽车的发展的关键，在于其使用体验是否能够媲美甚至超越传统的内燃机汽车，同时在购买与售后环节中是否有更加出色的优势。在笔者看来，新能源汽车的发展关键，同样是困扰着移动数码产品的关键--电池的发展。如何在安全的情况下保证电池技术能够满足消费者日益成长的需求，不仅是汽车科技相关行业人员，还是科研工作者在全领域的追求。
磷酸铁锂电池
八大优势
安全性能的改善
磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。有报告指出，实际操作中针刺或短路实验中发现有小部分样品出现燃烧现象，但未出现一例爆炸事件，而过充实验中使用大大超出自身放电电压数倍的高电压充电，发现依然有爆炸现象。虽然如此，其过充安全性较之普通液态电解液钴酸锂电池，已大有改善。
寿命的改善
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。
长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次
磷酸铁锂电池，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1~1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，理论寿命将达到7~8年。综合考虑，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。大电流放电可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C,而铅酸电池无此性能。
高温性能好
磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广(-20C--+75C)，有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。
大容量
具有比普通电池(铅酸等)更大的容量。5AH-1000AH(单体)
无记忆效应
可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。
重量轻
同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。
环保
该电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。所以锂电池之所以被业界看好，主要是环保考量，因此该电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池。
但有专家表示，铅酸电池造成的环境污染，主要发生在企业不规范的生产过程和回收处理环节。同理，锂电池属于新能源行业不错，但它也不能避免重金属污染的问题。金属材料加工中有铅、砷、镉、汞、铬等都有可能会释放到灰尘和水中。电池本身就是一种化学物质，所以有可能会产生两种污染：一是生产工程中的工艺排泄物污染;二是报废以后的电池污染。
磷酸铁锂电池也有其缺点：例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面对电池一致性问题。
动力电池的对比
目前最有希望应用于动力型锂离子电池的正极材料主要有改性锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)和镍钴锰酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。镍钴锰酸锂三元材料由于钴的资源缺乏与镍、钴成高和价格波动大等原因，普遍认为很难成为电动汽车用动力型锂离子电池的主流，但可以与尖晶石锰酸锂在一定范围内混合使用。
行业应用
涂碳铝箔为锂电产业带来技术革新和产业提升
提升锂电产品性能，改善放电倍率[1]
随着国内电池厂商对电池性能要求的日益提高，国内普遍认同新能源电池材料：导电材料&导电涂层铝箔/铜箔。
其优势在于：在处理电池材料的时候，常拥有高倍率充放电性能好，较大比容量，但循环稳定性较差，衰减较为严重等原因，不得不做取舍放弃。
产品应用，高尔夫球包车电池组中中
产品应用，高尔夫球包车电池组中中
这是个神奇的涂层，将电池的性能提高，带入新纪元。
导电涂层是由分散好的纳米导电石墨包覆颗粒等所组成。它能提供极佳的静态导电性能，是一层保护能量吸收层。它也能提供好的遮盖防护性能。涂层有水性的和溶剂性的，能应用在铝片，铜片，不锈钢，铝和钛双极板上。
涂碳涂层对锂电池的性能带来以下提升
1.降低电池内阻，抑制充放电循环过程中的动态内阻增幅;
2.显著提高电池组的一致性，降低电池组成本;
3.提高活性材料和集流体的粘接附着力，降低极片制造成本;
4.减小极化，提高倍率性能，减低热效应;
5.防止电解液对集流体的腐蚀;
6.综合因子进而延长电池使用寿命。
7.涂层厚度：常规单面厚1～3μm。
日本和韩国近几年主要开发以改性锰酸锂和镍钴锰酸锂三元材料为正极材料的动力型锂离子电池，如丰田和松下合资成立的PanasonicEV能源公司、日立、索尼、新神户电机、NEC、三洋电机、三星以及LG等。美国主要开发以磷酸铁锂为正极材料的动力型锂离子电池，如A123系统公司、Valence公司，但美国的主要汽车厂家在其PHEV与EV中却选择锰基正极材料体系动力型锂离子电池，并且据说美国A123公司在考虑进军锰酸锂材料领域，而德国等欧洲国家主要采取和其它国家电池公司合作的方式发展电动汽车，如戴姆勒奔驰和法国Saft联盟、德国大众与日本三洋协议合作等。目前德国的大众汽车和法国的雷诺汽车在本国政府的支持下也正在研发和生产动力型锂离子电池。
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