磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池的差别分析

2021-04-06      1218 次浏览

磷酸铁锂离子电池(LFP):用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池。


三元锂离子电池:使用镍钴锰(NCM)或者镍钴铝(NCA)材料做正极材料的三元复合物锂离子电池,是未来消费级电动汽车使用大趋势。


同样都是锂离子电池,为何两类电池的使用场景会有差别?今天就跟大家聊聊这两种电池的不同特性。


材料决定性能


电池能量密度:三元锂离子电池>磷酸铁锂离子电池


电动汽车的动力来自电池的充放电,电池性能的关键是能量密度,也就是单位电池质量中储存能量的大小(单位Wh/kg)。电动汽车拥有高的能量密度,代表能供应更多的动力,俗称劲儿大。


受制于化学特性,磷酸铁锂离子电池的电压平台低,磷酸铁锂离子电池的能量密度基本维持在140Wh/kg左右。而三元锂离子电池电压高,能量密度基本为240Wh/kg。也就是说,在相同电池重量下,三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。


NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)同为三元锂离子电池,但能量密度也不相同,可以看到三元锂离子电池能量密度明显高于磷酸铁锂离子电池。


不同厂家会研发不同配方的三元锂离子电池(镍、钴、锰三者不同比例),特斯拉Model3使用的21700NCA三元锂离子电池电芯的能量密度高达260Wh/kg,是目前的量产电动汽车里最高的,它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5,属于高镍电池。


Tesla的柱状三元锂离子电池


但是高镍电池由于能量密度过高,在安全上存在较大隐患。为了降低电池危险,会选择采用镍钴铝比例5:2:3的NCM三元锂离子电池。虽然电池能量密度相较NCA略低,但整个NCM电池技术和安全却能有效把控。


为了便于理解,我们用表格体现NCM与NCA不同电池材料的能量密度


理想智造ONE使用的是方壳形NCM电池


安全性:磷酸铁锂离子电池>三元锂离子电池


磷酸铁锂的化学键稳定,电热峰值大于350℃,高温下不易分解(可以坚持到700℃以上),三元锂离子电池热稳定性较差,300℃下容易分解,容易出现电池损坏。所以在高温条件,磷酸铁锂的安全性相对较高。以三元锂离子电池为动力的车型要防过温保护装置的电池和电池管理系统来保护电池的安全。


使用寿命:磷酸铁锂离子电池>三元锂离子电池


考察电池寿命就是考察电池在多次完全充放电后的电量衰减,一般电动汽车电池充满后衰减到原有80%电量就代表电池该换了。


磷酸铁锂离子电池的完全充放电循环次数>3500次后电量才会衰减到原有标定的80%。也就是说假如每天充放电一次,磷酸铁锂离子电池近10年才出现明显衰减现象。


三元锂离子电池比磷酸铁锂离子电池寿命低一些,完全充放电循环大于2000次会出现衰减现象,也就是6年的时间,要电池管理和车辆电控系统来延长电池寿命。目前电动汽车上的三元锂离子电池基本上能保证8年以上才会出现明显衰减。


小知识:未用光电池的前提下,电动汽车慢充电其实是有助于延长电池寿命的,所以不要怕老充电对电池不好。


低温性能:三元锂离子电池>磷酸铁锂离子电池


还是由于电池的化学材料,电动汽车的冬季里程衰减是困扰电动汽车普及的大问题。目前世界上所有的电动汽车在冬天都会出现不同程度的里程衰减。


磷酸铁锂离子电池的低温温度使用下限值(-20℃),且低温环境下放电性能差,冬季时里程衰减严重(将近40%)。三元锂离子电池低温温度使用下限值(-30℃),低温放电性能好,与磷酸铁锂离子电池相同低温条件下,冬季时里程衰减不到15%,明显高于磷酸铁锂离子电池。


为了防止出现明显的里程衰减现象,车辆要用热管理来保证电动汽车冬季性能,这点我们会单做文章跟大家仔细聊聊。


成本:三元锂>磷酸铁锂


由于磷酸铁锂离子电池中没有贵重金属(镍钴金属元素),所以在生产成本上较低。


如上文所说,三元锂离子电池使用了镍钴锰多种矿材料,并且高镍电池的生产要比较严格的工艺环境,目前成本比较高。


电池性能决定使用场景


正是磷酸铁锂离子电池与三元锂离子电池的不同特性,各自被广泛应用于不同使用场景的电动汽车中。


日常乘用电动汽车:动力需求高,电池布局紧凑,冬季性能需求高,使用寿命短(6-8年换车周期)。


大型公交车,社会作业车,经济性车:动力需求低,充分的电池布局空间,使用寿命长(10年以上使用周期)。


综上,没有绝对优秀的电池材料,按照性能寻找适合使用的场景。三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池各有长短。按照需求来看,三元锂离子电池更适合搭载车型更小,强调动力的日常乘用车,但要加强电池和电控系统的管理,磷酸铁锂离子电池更适合搭载于对电池布局要求低,使用寿命长的公共通勤工具和社会用车上。混料工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于30%,是整个生产工艺中最重要的环节。浆料制备工艺的重要目的为:(1)分散活性物质和导电剂颗粒团聚体;(2)甚至破碎活性物质和导电剂二次颗粒,进一步减小颗粒尺寸;(3)形成最合适的活性物质、导电剂和粘结剂彼此之间的排布方式;(4)维持浆料最优悬浮结构和成分稳定性,防止沉降和团聚等成分偏析。


锂离子电池正负极浆料基本上都是由活性物质、聚合物粘结剂和导电剂等组成,浆料分散悬浮液中可能的导电剂分布存在三种情况:导电剂没有充分分散,保持团聚,被粘结剂包裹形成大颗粒;导电剂分散但与活性颗粒相互独立;导电剂分散并均匀包覆在活性颗粒表面,这是最理想的情况[4]。而粘结剂与活性物质的相互用途包括:(1)静电用途阻止颗粒的团聚;(2)粘结剂相形成三维网络结构,空间位阻用途阻止颗粒的团聚;(3)粘结剂与活性物质颗粒形成凝胶结构,此时,粘度比较高,且无法通过添加溶剂降低,不能涂布。


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