鉅大LARGE | 點擊量：903次 | 2021年04月06日
磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池，究竟有什么不相同？
1.1實驗材料選擇
正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳配比為1∶1∶1的三元材料，負極選用MCMB，電解液選用EC、PC、EMC和DEC組成的混合溶劑，電解質為LiPF6作為鋰鹽，隔膜選用單層PP25μm。
1.2多孔膜電極與復合薄膜電極的制備
采用方形鋁殼LP2770102電池的殼、蓋及內部相同的多極耳卷繞結構，按照電池制作工藝分別制作正極材料為磷酸鐵鋰和三元材料的兩種電池。得到磷酸鐵鋰離子電池平均容量、內阻、質量分別為7.2Ah、1.06m、361g;三元材料平均電池8.6Ah、1.12m、360g。
1.3分析與測試
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%
測試條件為:三元材料電池充放電電壓控制范圍為2.5~4.2V，1C=7.5A，磷酸鐵鋰材料電池充放電電壓控制范圍為2.0~3.65V，1C=6.5Ah，無特殊說明測試溫度為(252)℃。
2、結果與討論
2.1放電性能測試
從圖1與表1可得出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高19.4%，比能量高37.5%，放電比功率高39.7%。由于三元材料質量比容量、壓實密度均高于磷酸鐵鋰材料，所以使用三元材料電池放電有較大優勢。
(a)三元材料電池放電曲線
(b)磷酸鐵鋰離子電池放電曲線
表1電池放電數據
2.2充電性能比較
從圖2和表2可見，三元材料電池與磷酸鐵鋰材料電池在不大于10C充電時，恒流充電容量/總容量比例無明顯差距，10C以上倍率充電時，磷酸鐵鋰離子電池恒流充電容量/總容量比例較小，充電倍率越大，恒流充電容量/總容量比例與三元材料電池差距越明顯，這重要與磷酸鐵鋰在30%~80%SOC是電壓變化較小有關，如負極使用軟碳或硬碳，磷酸鐵鋰離子電池大倍率充電性能夠達到三元電池的水平。
(a)三元材料電池充電曲線
(b)磷酸鐵鋰離子電池充電曲線
表2電池的充電數據
2.3循環性能比較
圖3中三元材料電池循環3900次剩余容量66%，磷酸鐵鋰離子電池循環5000次剩余容量84%，循環壽命比三元材料電池，磷酸鐵鋰離子電池優勢明顯。按照剩余容量/初始容量=80%作為測試結束點，目前三元材料電池實驗室1C循環壽命在2500次左右，磷酸鐵鋰離子電池實驗室1C循環壽命在3500次以上，部分達到5000次以上。
電池循環曲線
2.4不同溫度放電測試
不同溫度電池的放電比較如圖4所示。在55℃條件下放電，三元材料電池與磷酸鐵鋰在常溫下比較，放電容量都沒有差別，-20℃條件下放電，三元材料電池放電容量/常溫容量比例比磷酸鐵鋰離子電池高15%，如表3所示。
(a)三元材料電池不同溫度放電曲線
(b)磷酸鐵鋰離子電池不同溫度放電曲線
表3電池的放電數據
3、結論
本文通過制作相同結構的電池，得出三元材料與磷酸鐵鋰材料在HEV電池應用優缺點，三元材料在電池比能量、比功率、大倍率充電、低溫性能等方面有優勢，循環性能方面則是磷酸鐵鋰材料優勢明顯，在安全方面磷酸鐵鋰離子電池也優于三元材料。在選用電池時可根據不同用途選擇，如大巴車空間較大，對電池比能量和比功率要求相對較低，可選擇磷酸鐵鋰材料電池，發揮其循環性能好的特性，轎車空間有限，電池用量小，則選用高比能量與高比功率三元材料電池更為合適。如上圖所示。在充電過程中，由于電池外加端電壓的用途，正極集流體附近的電子在電場驅動下向負極運動，到達負極后，與負極材料中的鋰離子結合，形成局部電中性存放在石墨間隙中;消耗了部分鋰離子的負極表面，鋰離子濃度變低，正極與負極之間形成離子濃度差。
在濃差驅動下，正極材料中的鋰離子從材料內部向正極表面運動，并沿著電解質，穿過隔膜，來到負極表面;進一步在電勢驅動用途下，向負極材料深處擴散，與從外電路過來的電子相遇，局部顯示電中性滯留在負極材料內部。放電過程則剛好相反，包含負載的回路閉合后，放電過程開始于電子從負極集流體流出，通過外電路到達正極;終于鋰離子嵌入正極材料，與外電路過來的電子結合。
負極石墨為層狀結構，鋰離子的嵌入和脫出的方式，在不同類型的鋰離子中沒有太大差異。不同正極材料，其晶格結構存在明顯差異，充放電過程中的鋰離子擴散進出，過程略有不同。
