磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池究竟哪個好？

鋰離子電池經過30年的發(fā)展，比能量、比功率等性能有較大的提高，已成功應用于汽車上。受電池比能量限制，純電動汽車續(xù)航里程有限，是制約發(fā)展的瓶頸，國外汽車廠近期規(guī)劃以開發(fā)混合動力汽車為主。目前應用于鋰離子電池的正極材料重要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料等材料，目前使用的功率型電池正極重要選用磷酸鐵鋰和三元兩種材料。本文采用相同的電池殼蓋、負極材料及內部結構設計，分別制作磷酸鐵鋰和三元兩種正極材料的電池，比較兩種電池的比能量、比功率、循環(huán)、高低溫特性等性能，比較分析兩種電池性能差異。

1實驗

1.1實驗材料選擇

正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳配比為1∶1∶1的三元材料，負極選用MCMB，電解液選用EC、PC、EMC和DEC組成的混合溶劑，電解質為LiPF6作為鋰鹽，隔膜選用單層PP25μm。

1.2多孔膜電極與復合薄膜電極的制備

采用方形鋁殼LP2770102電池的殼、蓋及內部相同的多極耳卷繞結構，按照電池制作工藝分別制作正極材料為磷酸鐵鋰和三元材料的兩種電池。得到磷酸鐵鋰離子電池平均容量、內阻、質量分別為7.2Ah、1.06m、361g；三元材料平均電池8.6Ah、1.12m、360g。

1.3分析與測試

測試條件為：三元材料電池充放電電壓控制范圍為2.5~4.2V，1C=7.5A，磷酸鐵鋰材料電池充放電電壓控制范圍為2.0～3.65V，1C=6.5Ah，無特殊說明測試溫度為(252)℃。

2結果與討論

2.1放電性能測試

從圖1與表1可得出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高19.4%，比能量高37.5%，放電比功率高39.7%。由于三元材料質量比容量、壓實密度均高于磷酸鐵鋰材料，所以使用三元材料電池放電有較大優(yōu)勢。

（a）三元材料電池放電曲線

(b)磷酸鐵鋰離子電池放電曲線

2.2充電性能比較

從圖2和表2可見，三元材料電池與磷酸鐵鋰材料電池在不大于10C充電時，恒流充電容量/總容量比例無明顯差距，10C以上倍率充電時，磷酸鐵鋰離子電池恒流充電容量/總容量比例較小，充電倍率越大，恒流充電容量/總容量比例與三元材料電池差距越明顯，這重要與磷酸鐵鋰在30%～80%SOC是電壓變化較小有關，如負極使用軟碳或硬碳，磷酸鐵鋰離子電池大倍率充電性能夠達到三元電池的水平

（a）三元材料電池充電曲線

（b）磷酸鐵鋰離子電池充電曲線

2.3循環(huán)性能比較

圖3中三元材料電池循環(huán)3900次剩余容量66%，磷酸鐵鋰離子電池循環(huán)5000次剩余容量84%，循環(huán)壽命比三元材料電池，磷酸鐵鋰離子電池優(yōu)勢明顯。按照剩余容量/初始容量=80%作為測試結束點，目前三元材料電池實驗室1C循環(huán)壽命在2500次左右，磷酸鐵鋰離子電池實驗室1C循環(huán)壽命在3500次以上，部分達到5000次以上。

2.4不同溫度放電測試

不同溫度電池的放電比較如圖4所示。在55℃條件下放電，三元材料電池與磷酸鐵鋰在常溫下比較，放電容量都沒有差別，－20℃條件下放電，三元材料電池放電容量/常溫容量比例比磷酸鐵鋰離子電池高15%，如表3所示。

（a）三元材料電池不同溫度放電曲線

（b）磷酸鐵鋰離子電池不同溫度放電曲線

本文通過制作相同結構的電池，得出三元材料與磷酸鐵鋰材料在HEV電池應用優(yōu)缺點，三元材料在電池比能量、比功率、大倍率充電、低溫性能等方面有優(yōu)勢，循環(huán)性能方面則是磷酸鐵鋰材料優(yōu)勢明顯，在安全方面磷酸鐵鋰離子電池也優(yōu)于三元材料。在選用電池時可根據(jù)不同用途選擇，如大巴車空間較大，對電池比能量和比功率要求相對較低，可選擇磷酸鐵鋰材料電池，發(fā)揮其循環(huán)性能好的特性，轎車空間有限，電池用量小，則選用高比能量與高比功率三元材料電池更為合適。高溫下三元材料易燃，存在的安全風險比較大。中科院物理研究所研究員黃學杰表示，總結以往發(fā)生事故的相關經驗來看，鎳鈷鋁三元材料18650電池在180℃以上會出現(xiàn)自加熱，起火后很難控制，而磷酸鐵鋰材料到了250℃以上才會出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，安全性相對較高。

據(jù)介紹，單從材料特性而言，兩種材料到達一定溫度時都會發(fā)生分解，三元鋰材料大概在200℃發(fā)生分解，磷酸鐵鋰則在700℃~800℃時才發(fā)生分解。并且，三元鋰材料的化學反應更加劇烈，會釋放出氧分子，在高溫用途下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應。磷酸鐵鋰發(fā)生分解時不會釋放氧分子，燃燒也沒有那么劇烈。因此，僅從鋰離子電池的正極材料特性而言，三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火或發(fā)生意外事故。

同時，一個很簡單的道理，電池能釋放的能量越大，其存在的安全風險就越大。同比乘用車客車電池容量大，所以客車上裝配三元鋰離子電池提高了危險程度。比如純電動轎車電池容量一般為幾十千瓦時，而純電動公交車電池容量高達幾百千瓦時，隨著電池容量的新增，電池體積也在新增，其散熱性能變差，出現(xiàn)安全事故的可能性新增。高溫是電池事故的導火索，而且客車運輸人員較多，一旦出現(xiàn)事故其后果非常嚴重，可見三元鋰離子電池提高了新能源客車的危險系數(shù)。