鉅大LARGE | 點擊量：2008次 | 2021年04月09日
鋰離子電池之爭，三元鋰和磷酸鐵鋰哪個更勝一籌？
似乎這是一場已經分出結果的戰爭，尤其是國家補貼新政對電池能量密度提出要求之后，在小型乘用車領域，三元鋰離子電池已經全面取代磷酸鐵鋰離子電池。但這是否能夠證明三元鋰離子電池比磷酸鐵鋰離子電池更加優秀，代表了未來電池的發展方向？
☆先來了解鋰離子電池
我們現在使用的鋰離子電池都是鋰離子電池，此外還有鋰金屬電池，以鋰金屬或鋰合金作為負極材料的一種電池，最早在1912年便由GilbertN.Lewis提出，當時的鋰金屬電池為一次電池（不可充電），由于相比當時的其他電池，鋰金屬電池對加工、保存的要求高，因而沒有成為主流。
而鋰離子電池則比鋰金屬電池年輕許多，它采用鋰的金屬氧化物作為正極，于20世紀70年代誕生，但直到90年代，隨著電子產品的快速發展，對高功率、高能量密度電池的需求增大，鋰離子電池才開始成為主流。并且，鋰金屬電池隨著技術發展，近來有開始復興的趨勢，但還未形成潮流，本文重要討論的對象三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池均為鋰離子電池，除此之外，算上鈦酸鋰離子電池，這三種電池是主流的車用動力鋰電池。
☆鋰離子電池的結構
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
鋰離子電池的重要結構包括正、負極、電解液、隔膜和其他一些附件。其中正極材料是研究的重點，三元鋰和磷酸鐵鋰均描述了鋰離子電池的正極材料。而當前應用的負極材料重要為石墨，結晶度高，導電性好，對鋰離子的容量大，達到了372mAh/g，大大超過了正極材料的容量，這也是為何現在重要研究正極材料的原因。
☆鋰離子電池充放電的基本原理
先明確兩個概念，一，電池是將氧化還原反應的化學能轉化為電能的裝置。典型特點就是電極上反應物得失電子，通過外電路流動，進而便出現了電流。正負極之間的電荷傳遞是通過電解液中陰陽離子的運動形成的。
二，二次電池是指可多次再充放電的電池，其內部發生的電化學反應是可逆的。電池放電，內部的A物質變成B物質，化學能變成電能；而充電時，B物質又能夠變回A物質，電能變成化學能儲存。
充電時鋰離子從正極材料的晶格中脫出經過電解質嵌入到負極材料層中；放電時鋰離子從負極材料晶格中脫出，經過電解質嵌入到正極材料中。而電子則通過外電路，形成電流。
鋰離子電池充放電反應過程為：
式中，Y為過度金屬，在鈷酸鋰離子電池（LiCoO2）中Y為鈷（Co），在錳酸鋰離子電池中就是錳（Mn）。關于三元鋰離子電池就是鎳鈷錳酸鋰[Li（NiCoMn）O2]中的NiCoMn，關于磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，就是FePO4。
☆磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池
磷酸鐵鋰離子電池的特點在于安全性高，高倍率充放電特性和較長的循環壽命。文獻顯示，在充電條件為1C倍率充電至3.65V，然后轉恒壓至電流下降到0.02C，之后以1C倍率放電至截止電壓2.0V，循環1600次之后電池容量仍有初始容量的80%。
PS：充放電倍率=充放電電流/額定容量；例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電C率，1C,2C,0.2C是電池放電速率：表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。一般可以通過不同的放電電流來檢測電池的容量。關于24AH電池來說，2C放電電流為48A，0.5C放電電流為12A。
20Ah磷酸鐵鋰離子電池的循環性能
其充放電特性也較為穩定，以0.5C、1C、3C不同倍率放電時，放電容量下降不到5%，電壓在放電過程中有著較大的穩定平臺，大倍率放電情況下的穩定性關系著電動汽車在急加速、高速等大功率需求工況下的性能表現，電壓越穩定，車輛性能表現也越好，另外，這也可以解釋為何電動汽車高速行駛時續航能力會減弱，電池在大功率輸出時，實際放電容量會縮小。
20Ah磷酸鐵鋰離子電池不同倍率放電性能
磷酸鐵鋰離子電池也擁有良好的快充特性，3C倍率充電條件下，15分鐘可以充電55%，30分鐘充個電容量超過95%。注意這是實驗室條件，另外僅僅只是一塊20Ah，3.65V標稱電壓的單電池，與車用400V左右電壓100Ah及以上容量的電池組不能相提并論，兩者的充電功率相差百倍以上。
20Ah磷酸鐵鋰離子電池3C快充性能
除了壽命長，充放電性能優秀之外，磷酸鐵鋰離子電池最大的優點是其安全性，磷酸鐵鋰的化學性質穩定，高溫穩定性好，700-800℃才會開始發生分解，且在面對撞擊、針刺、短路等情況時不會釋出氧分子，不會出現劇烈的燃燒，安全性能高。
20Ah磷酸鐵鋰離子電池不同溫度下的放電容量
三元鋰離子電池指的是含有鎳鈷錳三種元素的過渡金屬嵌鋰氧化物符合材料正極的鋰離子電池，可用通式表示為LiMnxNiyCo1-x-yO2（0
三元鋰離子電池超晶格型結構模型
但是三元鋰離子電池的安全性較差。三元鋰離子電池熱穩定性較差，250-300℃就會發生分解，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后一點就著，出現的熱量進一步加劇正極分解，在極短的時間內就會爆燃。車禍中，外力撞擊會損壞電池隔膜，進而導致短路，而短路時發出的熱量會造成電池熱失控，并迅速將溫度升至300℃以上，存在自燃風險。因此，關于三元鋰離子電池而言，其電池管理系統、散熱系統就至關重要。
