鉅大LARGE | 點擊量：6456次 | 2018年05月01日
深度，磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的剖析
磷酸鐵鋰電池：是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其特色是不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會有供料問題。其工作電壓適中(3.2V)、單位重量下電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。
優(yōu)點相比目前市面上較為常見的鈷酸鋰和錳酸鋰電池來說，磷酸鐵鋰電池至少具有以下五大優(yōu)點：更高的安全性、更長的使用壽命、不含任何重金屬和稀有金屬(原材料成本低)、支持快速充電、工作溫度范圍廣。
缺點磷酸鐵鋰存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低;材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差;產(chǎn)品一致性差;知識產(chǎn)權(quán)問題。
三元聚合物鋰電池：正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰電池。據(jù)清華大學(xué)歐陽明高解釋：本次調(diào)查中所稱的"三元"材料，指的是正極是三元，負(fù)極是石墨的通常說法中的"三元動力電池"。而在實際研發(fā)應(yīng)用中，還有一種正極是三元，負(fù)極是鈦酸鋰的，通常被稱為"鈦酸鋰"，其性能比較安全，壽命比較長，不屬于普通所說的"三元材料。"
優(yōu)點三元鋰電池能量密度高，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰。目前，隨著配方的不斷改進(jìn)和結(jié)構(gòu)完善，電池的標(biāo)稱電壓已達(dá)到3.7V，在容量上已經(jīng)達(dá)到或超過鈷酸鋰電池水平。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
缺點三元材料動力鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH值過高易使單體脹氣，進(jìn)而引發(fā)危險，目前造價較高。
導(dǎo)讀：對比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢?新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵——電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費者日益成長的需求，不僅是汽車科技相關(guān)行業(yè)人員，還是科研工作者在全領(lǐng)域的追求
說到要買新能源汽車，可能大部分的消費者第一時間想起的是“政策優(yōu)惠”，雖然這有點尷尬但確實是相當(dāng)實在的原因。在國內(nèi)的銷售環(huán)境中，新能源汽車要打開局面，可不僅僅是因為“環(huán)?！边@樣的任重道遠(yuǎn)的使命感。新能源車在售價和養(yǎng)護(hù)成本上的優(yōu)勢的確吸引了大部分現(xiàn)階段仍然以用車成本為主的消費者的喜愛。
然而可能某些消費者的腳步會因為某些原因暫時停下對新能源車的好奇，這是因為多少都會被新能源車各種自燃的事件心有余悸。而這也正是筆者今天為什么要寫這篇文章的原因。須知道不了解新能源車的根本--能源模塊的優(yōu)劣，而且不了解使用過程中需要注意的事項的話，其實和買一顆定時炸彈放在身邊并沒有什么不同。
磷酸鐵鋰電池：業(yè)已成熟卻還不夠
磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料，加上其循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用，可達(dá)到2000次的循環(huán)性特點，再加上由于產(chǎn)業(yè)成熟而帶來的價技術(shù)門檻和技術(shù)的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會采用磷酸鐵鋰電池。可以說新能源汽車的興起，和磷酸鐵鋰電池有著不可或分的關(guān)系。
不過，磷酸鐵鋰電池有一個致命性的缺點，那就是低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。研究表明，一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，基本就報廢了。這對于我國幅員遼闊，冬天低氣溫的確較多的綜合國情來說，的確不是一件好事。
此外，材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差，這也是導(dǎo)致很多純電動汽車?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此，我們可以看到國內(nèi)有不少的新能源汽車(無論是純電動還是混合電動)，或者是一些比較廉價的新能源汽車，會出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池?？梢哉f，磷酸鐵鋰電池的使用，對于新能源汽車量產(chǎn)落地以及推廣，都有著不可磨滅的奠基作用。
對比之下，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢?
三元聚合物鋰電池：不安分的未來
三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰電池，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實際需要調(diào)整。三元鋰電池能量密度更大，但安全性經(jīng)常受到懷疑。
之所以會有這樣的原因是即便這兩種材料都會在到達(dá)一定溫度時發(fā)生分解，三元鋰材料會在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反映更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。說簡單點，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。
正因為三元鋰材料有這樣的安全隱患，所以廠商也在努力往抑制產(chǎn)生事故的方向走。根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性，廠商在過充保護(hù)(OVP)、過放保護(hù)(UVP)、過溫保護(hù)(OTP)、過流保護(hù)(OCP)這幾個環(huán)節(jié)上都會下不少的功夫。所以自燃事件更多是應(yīng)該考量廠商在這幾個環(huán)節(jié)的功能是否落實到位，而不是簡單的因噎廢食。
那么這兩種電池現(xiàn)在的使用情況又是怎么樣的呢?讓我們來關(guān)注一組數(shù)據(jù)。去年11月，磷酸鐵鋰電池的電動大巴裝機(jī)量占到了64.9%，三元鋰電池裝機(jī)量只有27.6%。相反，在純電動乘用車市場，三元鋰電池在去年11月的裝機(jī)量超過76%。
可以看出，三元鋰電池自身能量密度更大的優(yōu)勢，應(yīng)該是要作為未來汽車新能源存儲設(shè)備而生的。而現(xiàn)在發(fā)生相關(guān)的安全事件，在新能源汽車的普及仍然處于初級階段的時候，可以稱得上是一件好事。很多新能源汽車相關(guān)企業(yè)為了能夠完成搶占市場和獲得政策支持的雙重目標(biāo)，放寬技術(shù)要求，大量生產(chǎn)經(jīng)不起長時間反復(fù)使用的能源組件。汽車工作的環(huán)境是嚴(yán)苛的，長時間使用這些零部件，發(fā)生安全事故的原因難免大大增高。
因此我們可以認(rèn)為在中國電動車百人會上工業(yè)和信息化部裝備司司長張相木發(fā)表要對三元鋰電池客車的安全性能進(jìn)行評估，是國家有關(guān)部門有意從政策層面上進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)的界定，以促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。無論是對于消費者還是廠商，在未來都有著相當(dāng)積極的意義。因此沒有必要因為在網(wǎng)上片面地看到三元鋰電池的安全事故消息就裹足不前，材料都是會有危險的，關(guān)鍵在于如何牢牢地控制。
不同類型新能源車的電池：統(tǒng)一要求
說完了電池的情況，筆者認(rèn)為對于新能源汽車的情況，還需要和大家簡單介紹一下電池在車輛中的作用。畢竟購買純電動汽車的消費者仍然占少數(shù)，更多朋友所關(guān)注的是混合動力汽車。而混合動力汽車嚴(yán)格來說可以分成三種：普通混合動力汽車，插電式混合動力汽車和增程式混合動力汽車。
上面三種汽車中電池容量的排列從小到大恰好是普通混合動力汽車<插電式混合動力汽車≤增程式混合動力汽車。普通混合動力汽車的電池不可充電，電池用于啟動和急加速狀態(tài);插電式混合動力汽車的電池在普通混合動力汽車電池的基礎(chǔ)上增大容量且可充電，具備更加出色的加速能力和省油能力;而增程式混合動力汽車的發(fā)動機(jī)用于驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，更傾向于純電動汽車。
這三種混合動力汽車模式各有利弊，在現(xiàn)階段的主力也是以普通混合動力和插電式混合動力為主。正是因為三種混合動力汽車的特質(zhì)均有對于電池壽命和工作環(huán)境的共同點，因此無論是購買采用何種模式的混合動力汽車，消費者都要留意相關(guān)的參數(shù)，如電池材質(zhì)、使用環(huán)境和最佳工作狀態(tài)等。與此同時，廠商也應(yīng)該在設(shè)計過程中嚴(yán)格把控電池質(zhì)量和相關(guān)安全設(shè)置，確保使用的安全高效。
新能源汽車的發(fā)展的關(guān)鍵，在于其使用體驗是否能夠媲美甚至超越傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，同時在購買與售后環(huán)節(jié)中是否有更加出色的優(yōu)勢。在筆者看來，新能源汽車的發(fā)展關(guān)鍵，同樣是困擾著移動數(shù)碼產(chǎn)品的關(guān)鍵--電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費者日益成長的需求，不僅是汽車科技相關(guān)行業(yè)人員，還是科研工作者在全領(lǐng)域的追求。
磷酸鐵鋰電池
八大優(yōu)勢
安全性能的改善
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件，而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數(shù)倍的高電壓充電，發(fā)現(xiàn)依然有爆炸現(xiàn)象。雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池，已大有改善。
壽命的改善
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。
長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次
磷酸鐵鋰電池，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用，可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年”，最多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達(dá)到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達(dá)2C,而鉛酸電池?zé)o此性能。
高溫性能好
磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C)，有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
大容量
具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。5AH-1000AH(單體)
無記憶效應(yīng)
可充電池在經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。
重量輕
同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。
環(huán)保
該電池一般被認(rèn)為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認(rèn)證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池證。所以鋰電池之所以被業(yè)界看好，主要是環(huán)?？剂浚虼嗽撾姵赜至腥肓恕笆濉逼陂g的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。隨著中國加入WTO，中國電動自行車的出口量將迅速增大，而進(jìn)入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。
但有專家表示，鉛酸電池造成的環(huán)境污染，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過程和回收處理環(huán)節(jié)。同理，鋰電池屬于新能源行業(yè)不錯，但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學(xué)物質(zhì)，所以有可能會產(chǎn)生兩種污染：一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染;二是報廢以后的電池污染。
磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。
動力電池的對比
目前最有希望應(yīng)用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認(rèn)為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內(nèi)混合使用。
行業(yè)應(yīng)用
涂碳鋁箔為鋰電產(chǎn)業(yè)帶來技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)提升
提升鋰電產(chǎn)品性能，改善放電倍率[1]
隨著國內(nèi)電池廠商對電池性能要求的日益提高，國內(nèi)普遍認(rèn)同新能源電池材料：導(dǎo)電材料&導(dǎo)電涂層鋁箔/銅箔。
其優(yōu)勢在于：在處理電池材料的時候，常擁有高倍率充放電性能好，較大比容量，但循環(huán)穩(wěn)定性較差，衰減較為嚴(yán)重等原因，不得不做取舍放棄。
產(chǎn)品應(yīng)用，高爾夫球包車電池組中中
產(chǎn)品應(yīng)用，高爾夫球包車電池組中中
這是個神奇的涂層，將電池的性能提高，帶入新紀(jì)元。
導(dǎo)電涂層是由分散好的納米導(dǎo)電石墨包覆顆粒等所組成。它能提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，是一層保護(hù)能量吸收層。它也能提供好的遮蓋防護(hù)性能。涂層有水性的和溶劑性的，能應(yīng)用在鋁片，銅片，不銹鋼，鋁和鈦雙極板上。
涂碳涂層對鋰電池的性能帶來以下提升
1.降低電池內(nèi)阻，抑制充放電循環(huán)過程中的動態(tài)內(nèi)阻增幅;
2.顯著提高電池組的一致性，降低電池組成本;
3.提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片制造成本;
4.減小極化，提高倍率性能，減低熱效應(yīng);
5.防止電解液對集流體的腐蝕;
6.綜合因子進(jìn)而延長電池使用壽命。
7.涂層厚度：常規(guī)單面厚1～3μm。
日本和韓國近幾年主要開發(fā)以改性錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極材料的動力型鋰離子電池，如豐田和松下合資成立的PanasonicEV能源公司、日立、索尼、新神戶電機(jī)、NEC、三洋電機(jī)、三星以及LG等。美國主要開發(fā)以磷酸鐵鋰為正極材料的動力型鋰離子電池，如A123系統(tǒng)公司、Valence公司，但美國的主要汽車廠家在其PHEV與EV中卻選擇錳基正極材料體系動力型鋰離子電池，并且據(jù)說美國A123公司在考慮進(jìn)軍錳酸鋰材料領(lǐng)域，而德國等歐洲國家主要采取和其它國家電池公司合作的方式發(fā)展電動汽車，如戴姆勒奔馳和法國Saft聯(lián)盟、德國大眾與日本三洋協(xié)議合作等。目前德國的大眾汽車和法國的雷諾汽車在本國政府的支持下也正在研發(fā)和生產(chǎn)動力型鋰離子電池。
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