商業化磷酸鐵鋰電池PK三元鋰電池 誰更勝一籌?

2021-01-10 全國能源信息平臺

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商業化三元電池(a)單體和(b)模塊 1.1 電池單體性能測試 磷酸鐵鋰電池單體充電電壓上限為3.8V。圖4 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的放電曲線 圖4(a)和圖4(b)所示分別為磷酸鐵鋰和三元電池模塊的3次放電容量曲線。圖5 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的倍率放電曲線 磷酸鐵鋰電池模塊的放電電壓平臺約為15.75～15V。

目前國內的主流動力電池，根據正極材料的不同，分為磷酸鐵鋰電池和三元電池兩種。正是由於正極材料的不同，造成了這兩種電池在性能上存在較大的差別。

磷酸鐵鋰材料結構穩定，熱穩定性好，其循環性能和安全性優於三元材料；三元材料能量密度高，但由於充放電過程中材料結構不穩定，易發生相轉變，因此其循環性能比磷酸鐵鋰差；三元材料的熱穩定性較差，因此三元電池安全隱患高於磷酸鐵鋰，國內外關於電動汽車燃燒、爆炸的事故報導中，三元電池所引發的安全事故量顯著高於磷酸鐵鋰電池。

一、實驗過程

本文根據GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》和GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》的相關測試規程，對75Ah磷酸鐵鋰和三元NCM622電池的單體循環壽命、室溫放電容量，以及模塊(5支單體串聯)的室溫放電容量、室溫倍率性能進行了測試。電池單體和模塊照片如圖1所示。磷酸鐵鋰電池單體質量1.81kg，模塊質量9.05kg；三元電池單體質量1.34kg，模塊質量6.70kg。

圖1 商業化磷酸鐵鋰電池(a)單體和(b)模塊；商業化三元電池(a)單體和(b)模塊

1.1 電池單體性能測試

磷酸鐵鋰電池單體充電電壓上限為3.8V，放電終止電壓為2V；磷酸鐵鋰電池模塊充電電壓上限為19V。三元電池單體充電電壓上限為4.2V，放電終止電壓為3.0V；三元電池模塊充電電壓上限為21.5V。

1.1.1 單體循環壽命測試

a)以1I1(I1＝75A)放電至終止電壓；b)擱置30分鐘；c)以1I1電流恆流充電至電壓上限轉恆壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電；d)擱置30分鐘；e)以1I1放電至放電終止條件，記錄放電容量；f)按照b)～e)連續循環500次。

1.1.2 單體室溫放電容量測試

a)1I1電流恆流充電至電壓上限轉恆壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，擱置1h；b)室溫下，蓄電池以1I1電流放電，直到放電至終止電壓；c)計量放電容量，記錄放電比能量；d)重複步驟a)～c)5次，當連續3次試驗結果的極差小於額定容量的3%，可提前結束試驗，取最後3次試驗結果平均值。

1.2 電池模塊性能測試

1.2.1 模塊室溫放電容量測試

a)電池模塊(5支單體串聯)以1I1充電至電壓上限轉恆壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，若充電過程中有單體電池電壓超過終止電壓0.1V時停止充電，充電後擱置1h；b)室溫下，蓄電池以1I1電流放電，直至任意一個單體電壓達到放電終止電壓；c)計量放電容量和放電比能量；d)重複步驟a)～c)5次，當連續3次試驗結果的極差小於額定容量的3%，可提前結束試驗，取最後3次試驗結果平均值。

1.2.2 模塊室溫倍率放電性能測試

a)電池模塊以1I1充電至電壓上限轉恆壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，若充電過程中有單體電池電壓超過終止電壓0.1V時停止充電，充電後擱置1h；b)室溫下,蓄電池模塊以3I1電流放電，直至任意一個單體電壓達到放電終止電壓；c)計量放電容量。

二、結果與討論

商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環壽命測試結果如圖2所示。磷酸鐵鋰電池的首周放電容量為77.80Ah(質量比容量42.98Ah/kg)，500周循環後放電容量為72.01Ah(質量比容量39.78Ah/kg)，容量保持率為92.56%。三元電池的首周放電容量為77.82Ah(質量比容量58.07Ah/kg)，500周循環後放電容量為70.69Ah(質量比容量52.75Ah/kg)，容量保持率為90.84%。

圖2 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環壽命測試結果

由此可見，磷酸鐵鋰電池的循環穩定性高於三元電池，而三元電池在比容量方面更有優勢，而其額定電壓也高於磷酸鐵鋰。因而可以預見，三元電池的能量密度高於磷酸鐵鋰電池，後續的放電容量測試將對此進行具體的驗證。

商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的放電容量測試所得放電容量曲線如圖3所示。磷酸鐵鋰電池3次循環的放電容量分別為78.56、78.73和78.79Ah(比容量分別為43.40、43.50、43.53Ah/kg)，根據標準規定，取其平均值78.69Ah(比容量43.48Ah/kg)作為放電容量。三元電池3次循環的放電容量分別為76.98、77.78和77.89Ah(比容量分別為57.38、58.04、58.13Ah/kg)，取其平均值77.55Ah(比容量57.87Ah/kg)作為放電容量。

圖3 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的放電曲線

圖3(a)和圖3(b)所示分別為磷酸鐵鋰和三元電池的3次放電容量曲線，磷酸鐵鋰電池在3.25～3.15V間有平緩的放電電壓平臺，而三元電池的放電平臺4.05～3.35V，電壓平臺較寬。記錄磷酸鐵鋰的3次放電能量分別為248.90Wh(比能量137.51Wh/kg)、248.15Wh(比能量137.10Wh/kg)、247.31Wh(比能量136.64Wh/kg)，平均比能量為137.08Wh/kg；而三元電池的三次放電能量分別為278.78Wh(比能量208.04Wh/kg)、282.36Wh(比能量210.72Wh/kg)、282.88Wh(比能量211.10Wh/kg)，平均比能量為209.95Wh/kg。由此可見，由於三元電池的比容量和電壓平臺均高與磷酸鐵鋰電池，因而商業化三元電池的比能量高於磷酸鐵鋰電池。

對商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊(均為5支單體串聯)的放電容量測試，所得放電容量曲線如圖4所示。磷酸鐵鋰電池模塊3次循環的放電容量分別為76.91Ah、77.72Ah和77.88Ah，根據標準規定，取其平均值77.47Ah作為放電容量；而三元電池模塊3次循環的放電容量分別為80.80Ah、80.97Ah和81.02Ah，取其平均值80.93Ah作為所測放電容量。

圖4 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的放電曲線

圖4(a)和圖4(b)所示分別為磷酸鐵鋰和三元電池模塊的3次放電容量曲線，磷酸鐵鋰電池模塊在約16.25～15.50V間有平緩的放電電壓平臺，而三元電池模塊的放電平臺範圍較寬，約在20.75～17V間，這與單體的放電曲線相對應的。記錄磷酸鐵鋰的3次放電能量分別為1220.53Wh(比能量134.86Wh/kg)、1235.08Wh(比能量136.47Wh/kg)、1236.24Wh(比能量136.60Wh/kg)，平均比能量為135.97Wh/kg；而三元電池的三次放電能量分別為1477.82Wh(比能量220.57Wh/kg)、1481.72Wh(比能量221.15Wh/kg)、1482.85Wh(比能量221.32Wh/kg)，平均比能量為221.01Wh/kg。電池模塊測試的比能量與單體測試結果相近。

商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的倍率放電曲線如圖5所示，為充滿電的電池模塊在3C倍率(225A)下放電的曲線。磷酸鐵鋰電池模塊的放電容量為76.19Ah，為初始容量(模塊放電容量測試結果)的98.3%；三元電池的放電容量為80.14Ah，是初始容量的99.2%，這說明商業化磷酸鐵鋰和三元電池在3C高倍率下的放電能力與1C倍率(1I1電流)下無顯著差別。

圖5 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的倍率放電曲線

磷酸鐵鋰電池模塊的放電電壓平臺約為15.75～15V，三元電池模塊的放電電壓平臺約為19.5V～16.5V，對比1C倍率下的放電曲線發現，3C倍率下的放電電壓平臺有所下降，這是因為在高倍率下極化現象加劇的原因所造成的。

三、結論

商業化動力磷酸鐵鋰電池的循環穩定性優於三元電池，其耐久性更為優異。商業化三元電池放電電壓平臺高，比容量高，三元電池單體和模塊的能量密度超過200Wh/kg，高於磷酸鐵鋰電池(約136Wh/kg)，因而可以為電動汽車提供較長的續航裡程。磷酸鐵鋰電池和三元電池高倍率下都有較為優異的放電能力。電動汽車生產商基本是根據汽車的指標參數進行電池體系選型；而對於電動汽車買家而言，首先應了解電動汽車所用電池的體系是磷酸鐵鋰電池還是三元電池，從而根據按自己的實際需求進行車型選擇。

參考：張躍強等《商業化磷酸鐵鋰與三元動力鋰離子電池性能對比分析》

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