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      1. 鋰電池知識

        電池知識

        鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源

        一文看懂磷酸鐵鋰離子電池與三元鋰離子電池

        2021-04-09 ryder

        磷酸鐵鋰離子電池: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、可快速充電且循環壽命長,在高溫與高熱環境下的穩定性高。


        優點相比目前市面上較為常見的鈷酸鋰和錳酸鋰離子電池來說,磷酸鐵鋰離子電池至少具有以下五大優點: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;產品一致性差;知識產權問題。


        三元聚合物鋰離子電池:正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰離子電池。據清華大學歐陽明高解釋:本次調查中所稱的三元材料,指的是正極是三元,負極是石墨的通常說法中的三元動力鋰電池。而在實際研發應用中,還有一種正極是三元,負極是鈦酸鋰的,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。


        優點三元鋰離子電池能量密度高,循環性能好于正常鈷酸鋰。目前,隨著配方的不斷改進和結構完善,電池的標稱電壓已達到3.7V,在容量上已經達到或超過鈷酸鋰離子電池水平。


        缺點三元材料動力鋰離子電池重要有鎳鈷鋁酸鋰離子電池、鎳鈷錳酸鋰離子電池等,由于鎳鈷鋁的高溫結構不穩定,導致高溫安全性差,且pH值過高易使單體脹氣,進而引發危險,目前造價較高。


        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惠,雖然這有點尷尬但確實是相當實在的原因。在國內的銷售環境中,新能源汽車要打開局面,可不僅僅是因為環保這樣的任重道遠的使命感。新能源車在售價和養護成本上的優勢的確吸引了大部分現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何要寫這篇文章的原因。須了解不了解新能源車的根本--能源模塊的優劣,而且不了解使用過程中要注意的事項的話,其實和買一顆按時炸彈放在身邊并沒有什么不同。


        磷酸鐵鋰離子電池:業已成熟卻還不夠


        磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料,加上其循環壽命達到2000次以上,標準充電(5小時率)使用,可達到2000次的循環性特點,再加上由于產業成熟而帶來的價技術門檻和技術的下降,使得很多廠商出于各種因素考慮都會采用磷酸鐵鋰離子電池??梢哉f新能源汽車的興起,和磷酸鐵鋰離子電池有著不可或分的關系。


        不過,磷酸鐵鋰離子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,假如在-10℃的環境中工作,經過不到100次的充放電循環,電量將急劇衰減至500mAh,基本就報廢了。這關于我國幅員遼闊,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,這也是導致很多純電動汽車續航能力并不能達到標稱值的重要原因。因此,我們可以看到國內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離子電池??梢哉f,磷酸鐵鋰離子電池的使用,關于新能源汽車量產落地以及推廣,都有著不可磨滅的奠基用途。


        比較之下,三元聚合物鋰離子電池的確有著更優于磷酸鐵鋰離子電池的特質,然而為何它的發展卻受到了阻礙呢?


        三元聚合物鋰離子電池:不安分的未來


        三元聚合物鋰離子電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)三元正極材料的鋰離子電池,三元復合正極材料前驅體產品,是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據實際要調整。三元鋰離子電池能量密度更大,但安全性經常受到懷疑。


        之所以會有這樣的原因是即便這兩種材料都會在到達一定溫度時發生分解,三元鋰材料會在更低的200度左右發生分解,而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學反映更加劇烈,會釋放氧分子,在高溫用途下電解液迅速燃燒,發生連鎖反應。說簡單點,就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過要注意的是,我們提到的是材料,而不是已經成為成品的電池。


        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出現事故的方向走。根據三元鋰材料容易熱解的特性,廠商在過充保護(OVp)、過放保護(UVp)、過溫保護(OTp)、過流保護(OCp)這幾個環節上都會下不少的功夫。所以自燃事件更多是應該考量廠商在這幾個環節的功能是否落實到位,而不是簡單的因噎廢食。


        那么這兩種電池現在的使用情況又是怎么樣的呢?讓我們來關注一組數據。去年十一月,磷酸鐵鋰離子電池的電動大巴裝機量占到了64.9%,三元鋰離子電池裝機量只有27.6%。相反,在純電動乘用車市場,三元鋰離子電池在去年十一月的裝機量超過76%。


        可以看出,三元鋰離子電池自身能量密度更大的優勢,應該是要作為未來汽車新能源存儲設備而生的。而現在發生相關的安全事件,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公司為了能夠完成搶占市場和獲得政策支持的雙重目標,放寬技術要求,大量生產經不起長時間反復使用的能源組件。汽車工作的環境是嚴苛的,長時間使用這些零部件,發生安全事故的原因難免大大增高。


        因此我們可以認為在我國電動汽車百人會上工業和信息化部裝備司司長張相木發表要對三元鋰離子電池客車的安全性能進行評估,是國家有關部門有意從政策層面上進行一次標準的界定,以促進行業標準的出現。無論是關于消費者還是廠商,在未來都有著相當積極的意義。因此沒有必要因為在網上片面地看到三元鋰離子電池的安全事故消息就裹足不前,材料都是會有危險的,關鍵在于如何牢牢地控制。


        不同類型新能源車的電池:統一要求


        說完了電池的情況,筆者認為關于新能源汽車的情況,還要和大家簡單介紹一下電池在車輛中的用途。畢竟購買純電動汽車的消費者仍然占少數,更多朋友所關注的是混合動力汽車。而混合動力汽車嚴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;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動機用于驅動電機發電,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均有關于電池壽命和工作環境的共同點,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的參數,如電池材質、使用環境和最佳工作狀態等。與此同時,廠商也應該在設計過程中嚴格把控電池質量和相關安全設置,確保使用的安全高效。


        新能源汽車的發展的關鍵,在于其使用體驗是否能夠媲美甚至超越傳統的內燃機汽車,同時在購買與售后環節中是否有更加出色的優勢。在筆者看來,新能源汽車的發展關鍵,同樣是困擾著移動數碼產品的關鍵--電池的發展。如何在安全的情況下保證電池技術能夠滿足消費者日益成長的需求,不僅是汽車科技相關行業人員,還是科研工作者在全領域的追求。

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