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科普|磷酸铁锂与三元锂电池


科普|磷酸铁锂与三元锂电池


   从电池能量密度、低温性能、安全性、使用寿命以及成本来看,磷酸铁锂电池和三元锂电池是各有优势,有点难分难解,也导致动力锂电池正极材料技术路线出现分化。

   以特斯拉为代表的企业最早采用三元锂电池,续航优势明显。而比亚迪一直是磷酸铁锂路线的代表者和坚持者,认为磷酸铁锂安全性最好。不过随着比亚迪从磷酸铁锂电池转变为三元锂电池来看,显然这两种电池路线的争论也已经落下了帷幕。

但是注意,乘用车采用三元锂电池并不代表磷酸铁锂电池就此淘汰,套用李想的一句话就是,磷酸铁锂属于大巴,三元锂电属于乘用车,固态电池属于未来。

三元锂VS磷酸铁锂

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电池分类

   电池的种类其实非常多,按类型可以大致分为化学电池、物理电池和生物电池。像我们平时常见的纽扣电池、5号电池、锂离子电池这类都属于化学电池。电容这类属于物理电池,微生物电池这类则属于生物电池。而电动汽车上用的则是化学电池,如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一类型。从结构来看还可以再分两大类,蓄电池和燃料电池。当然,这里说的蓄电池并不是大家日常说的汽车电瓶,而是对可重复充电电池的统称,其中车载的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。燃料电池目前应用较少,就不作展开了。

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六种锂电池

    锂电池是目前电动车乃至时下绝大多数电子产品上最常用的电池种类,它从1970年诞生至今将近半个世纪了,它的优势是能量密度高、循环使用寿命长。目前锂离子电池主要是按照正极材料的不同来分类,因为负极材料对电池能量密度的影响不大,所以现在主要通过不断改进正极材料来提升电池的性能。市面上最早有六类电池材料分别是钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰和镍钴铝。

   钛酸锂是作为负极材料使用的锂电池,它的能量密度很低,应用在电动车上显然不吃香。

   钴酸锂则相反,它是能量密度相对较高,但是寿命和耐高温性能就比较差,大多用在手机等数码设备当中。

   锰酸锂成本低而且稳定,但能量密度也比较低。

   所以,从能量密度和安全性综合来看,综合性能更好的磷  酸铁锂电池和三元锂电池成为了电动车动力电池的主流,不过这两种电池在自身特点上也存在显著差异

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电池能量密度

三元锂>磷酸铁锂

   评价电池性能好坏最关键的指标就是电池能量密度,电池能量密度的概念和其他物质密度的概念一样,简单来说就是单位重量或体积下电池含有的电能。打个比方,两块同样大小和重量的矿石,一种含杂质较多,一种含量高,那么毫无疑问含量高的显然更值钱。

   电池的能量密度和矿石的含量一样,相同体积或重量下,能量密度越高提供的电能也就越多,续航相对也越长,提高电池能量密度等于增加了车辆续航。

磷酸铁锂电池(LFP)是用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池,三元锂电池则是一种以镍钴元素作为正极材料,以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池,主要有NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)。

   受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台低,磷酸铁锂电池的能量密度大概在140Wh/kg左右。而三元锂电池电压高,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。

   毫无疑问,在能量密度上三元锂电池优势明显,不过不同“配方”的三元锂电池它的能量密度也会有差异(镍、钴、锰/铝三者不同比例)。

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低温性能

三元锂>磷酸铁锂

   冬天电动车续航里程衰减已经是司空见惯了,磷酸铁锂电池的低温性能要劣于三元锂电池。磷酸铁锂电池温度使用下限值-20℃,且低温环境下放电性能差,在0℃ 时的容量保持率约60~70%,-10℃时为40~55%,-20℃时为20~40%。三元锂电池低温温度使用下限值-30℃,低温放电性能好,和磷酸铁锂电池相同低温条件下,冬季时里程衰减不到15%,明显高于磷酸铁锂电池。

   当然,为了避免出现明显的里程衰减现象,大多数车辆现在都有相应的热管理来保证电动车冬季性能。

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寿命

磷酸铁锂>三元锂

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

   磷酸铁锂电池的完全充放电循环次数大于3500次后电量才会衰减到原有的80%。也就是说如果每天充放电一次,磷酸铁锂电池也要将近10年才出现明显衰减现象。

   而三元锂电池比磷酸铁锂电池寿命短一些,完全充放电循环大于2000次会开始出现衰减现象,也就是大概在6年的时间,当然通过电池管理和车辆电控系统也可以稍微延长一点电池寿命,但是也只能是稍加延缓。

   当然,电动车电池是由多个单体电池串并而成,其工作状态类似木桶效应,一只木桶能盛多少水,并不取决于最长的那块木板,而是取决于最短的那块木板。电池组类似,只有在电池性能高度一致时,寿命发挥才能接近单体电池的水平。

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