磷酸铁锂电池和三元锂电池,选谁?

电动汽车常用的动力电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池以及锂离子电池。目前,锂离子电池是汽车商业电池中最广泛使用的电池,其中,磷酸铁锂电池和三元锂电池,都是常用的锂离子电池。

三元锂电池,”三元“指的是包含镍、钴、锰或铝三种金属元素的聚合物。三元锂电池都会存在钴元素,然而,钴元素非常稀缺,全球已探明的钴储量近一半位于非洲刚果,且涉及非法使用童工开采问题。在中国,钴元素储量少,品位较低。

而磷酸铁锂电池则不含钴元素。近日, 特斯拉获准在中国生产使用磷酸锂铁电池的 Model 3,则将是其第一款不采用三元锂电池的车型。特斯拉在其发布的《 2019 年影响报告》中指出:“特斯拉的电池使用的富镍正极材料,比行业中其他电池正极材料含钴量都要少,并且,我们最终的目标是电池完全无钴化”。

报告指出:“特斯拉致力于保证供应链中安全的生产条件和人道主义精神,确保工人得到尊重,制造过程对环境负责”。最终,特斯拉会将电池中的钴逐步淘汰。

一、磷酸铁锂电池和三元锂电池,有啥不同?

(一)磷酸铁锂(LiFePO4)电池

磷酸铁锂(LiFePO4)电池,以磷酸铁锂作为正极材料, 以石墨或碳极作为负极材料,正负极之间允许电子自由通过而金属离子不能通过的隔膜材料。

当其作为动力电池,

主要优点有:

  1. 高温性能和安全性良好。在电池放电过程中,电池内部温度比外部温度高出约 30°C,此时电池结构依旧完好,且当电池内外部结构遭到损坏时,电池也不会有自燃、爆炸的风险;
  2. 循环寿命长。经过 2,000 次以 0.5C 倍率充电、1C 倍率放电的充放电循环之后,其电池容量还有约 93%;

缺点:
能量密度相对较低,在相同质量下,其续航里程不如三元锂电池。

由于具有良好的安全性能和循环寿命长的优势,磷酸铁锂电池被广泛应用于公共交通工具上,如公交车、出租车等,其在新能源客车市场占优势。在中国,以比亚迪为主的一部分汽车公司,也在采用磷酸铁锂电池。比亚迪研发的“刀片电池”有助于改善磷酸铁锂电池能量密度较低这一劣势,其电池能量密度达到了 140Wh/kg,成本相较之前下降了 20%-30%。从公开数据来看,搭载“刀片电池”比亚迪汉 EV 车型续航里程能达到 605km,累计行程可达 120 万公里,电池可使用 8 年。

(二)三元锂电池

三元锂电池以三元复合材料作为正极材料,以碳硅复合材料作为负极材料,隔膜材料与磷酸铁锂电池的隔膜材料一致。三元锂电池主要有 NCA(镍钴铝)和 NCM(镍钴锰)两种技术路线,特斯拉走的是 NCA 技术路线,而以宁德时代为代表的电池公司则集中于 NCM 技术路线。

当其作为动力电池,

主要优点有:

  1. 能量密度高。相同质量下,三元锂电池的能量密度是磷酸铁锂电池的1.7-2.2倍;
  2. 体积较小。相同电池容量下,磷酸铁锂电池与三元锂电池,后者体积仅为前者的60%左右;
  3. 低温性能良好。低温条件下,三元锂电池容量和能量衰减率都比磷酸铁锂电池优越;

缺点:

安全性相对较差。三元电池材料在 200°C会发生分化,其内部的化学反应,在高温下会更为剧烈,且在反应过程中会产生氧分子,将加剧电解液材料的燃烧。

二、磷酸铁锂电池和三元锂电池,谁更适合电动车?

(一)高温安全性

  1. 三元锂电池的三元电池材料在 200°C 时会发生分解,国内就曾发生由于三元锂电池受到撞击或其他原因导致整车自燃的事故。
  2. 磷酸铁锂电池分解温度在 800°C,不容易着火,安全性相对较高。

(二)能量密度
目前,相同质量下,三元锂电池能量密度高于磷酸铁锂电池,能量密度提升空间也较大。

(三)低温衰减性能

  1. 三元锂电池的低温性能优异,在 -30 °C 时以 0.5C 倍率放电,其放电电压为 25°C 时以 0.5C 倍率放电电压的 93.2%,下降幅度较低。

  2. 磷酸铁锂电池在低温条件下,电池容量衰减迅速,这与三元锂电池相比有天然差距。目前,中国新能源与储能运行控制国家重点实验室已开展对提升磷酸铁锂电池低温性能的研究。低温环境下,磷酸铁锂电池电池性能下降主要是因为界面电阻增加以及锂沉积而诱导的 SEI 膜生长。因此,提升其低温性能的关键在于安全稳定快速升温或降低阻抗。

(四)成本

  1. 制造三元锂电池所需要的钴元素在我国储量少,大部分依赖进口,因此成本相对较高。
  2. 磷酸铁锂电池所需原材料无需进口,供应充足,成本相对较低。

综上所述,磷酸铁锂电池和三元锂电池各有优劣。在实际使用中,磷酸铁锂电池具有安全稳定性强、耐高温、循环寿命长、价格便宜等优势,原料成本低且储量丰富;在能量密度、低温衰减性能上,三元锂离子电池优于磷酸铁锂电池,能够满足车主对电动车长续航的需求,以及更适合在寒冷条件下的驾乘,但热稳定性较差是其痛点,原材料中所需要的钴,采购成本较高。在未来,三元材料将朝着低钴方向发展,特斯拉也在向”电池无钴化“迈进。

各位车主,各取所需~~~

参考文献
[1] T.R. Hawkins,B.Singh, 2012, Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles (Journal of Indus -trial Ecology, vol 17, issue 1).
[2] STRICKLAND D, CHITTOCK L, STONE D A, et al. Estimation of transportation battery second life for use in electricity grid systems[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2014, 5(3): 795-803.
[3] 赵光金, 董锐锋, 王放放, 等. 磷酸铁锂电池充放电循环过程中电化学阻抗实验研究[J]. 热力发电,2020,5(06)
[4]胡晨, 金翼, 朱少青, 徐晔, 水江澜. 磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述[J]. 应用化学,2020,11(04)
[5]李中祥, 李明, 刘启胜,唐佳,刘士齐. 三元锂电池性能衰减实验及分析研究[J]电源技术研究设计,2020,31(02)
[6] 李惠,吉维肖,曹余良,等. 锂离子电池热失控防范技术[J]. 储能科学与技术, 2018,7(3):376-383
[7] 何向明,冯旭宁,欧阳明高. 车用锂离子动力电池系统的安全性[J] 科技导报, 2016,34(6):32-38

原文地址:https://www.xiaote.com/r/5ee3207508c7ff0006e60566