钜大LARGE | 点击量：4545次 | 2019年06月14日
对比分析磷酸铁锂和三元锂电池两种电池性能差异！
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主要有锰酸锂、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主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，对比分析两种电池性能差异。
磷酸铁锂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
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%
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。
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。
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.显着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。
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
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。得到磷酸铁锂电池平均容量、内阻、质量分别为7.2Ah、1.06mΩ、361g；三元材料平均电池8.6Ah、1.12mΩ、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(25±2)℃。
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。
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，这主要与磷酸铁锂在30%～80%SOC是电压变化较小有关，如负极使用软碳或硬碳，磷酸铁锂电池大倍率充电性能够达到三元电池的水平。
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电池高15%，如表3所示。
3、结论
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。
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