磷酸鐵鋰材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好，其循環(huán)性能和安全性優(yōu)于三元材料；三元材料能量密度高，但由于充放電過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生相轉(zhuǎn)變，因此其循環(huán)性能比磷酸鐵鋰差；三元材料的熱穩(wěn)定性較差，因此三元電池安全隱患高于磷酸鐵鋰，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)燃燒、爆炸的事故報(bào)道中，三元電池所引發(fā)的安全事故量顯著高于磷酸鐵鋰電池。

一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文根據(jù)GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》和GB/T 31486-2015《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》的相關(guān)測(cè)試規(guī)程，對(duì)75Ah磷酸鐵鋰和三元NCM622電池的單體循環(huán)壽命、室溫放電容量，以及模塊(5支單體串聯(lián))的室溫放電容量、室溫倍率性能進(jìn)行了測(cè)試。電池單體和模塊照片如圖1所示。磷酸鐵鋰電池單體質(zhì)量1.81kg，模塊質(zhì)量9.05kg；三元電池單體質(zhì)量1.34kg，模塊質(zhì)量6.70kg。

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

1.1 電池單體性能測(cè)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(huán)壽命測(cè)試

a)以1I1(I1＝75A)放電至終止電壓；

b)擱置30分鐘；

c)以1I1電流恒流充電至電壓上限轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時(shí)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(xù)循環(huán)500次。

1.1.2 單體室溫放電容量測(cè)試

a)1I1電流恒流充電至電壓上限轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時(shí)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(jì)量放電容量，記錄放電比能量；

d)重復(fù)步驟a)～c)5次，當(dāng)連續(xù)3次試驗(yàn)結(jié)果的極差小于額定容量的3%，可提前結(jié)束試驗(yàn)，取最后3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。

1.2 電池模塊性能測(cè)試

1.2.1 模塊室溫放電容量測(cè)試

a)電池模塊(5支單體串聯(lián))以1I1充電至電壓上限轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時(shí)停止充電，若充電過(guò)程中有單體電池電壓超過(guò)終止電壓0.1V時(shí)停止充電，充電后擱置1h；

b)室溫下，蓄電池以1I1電流放電，直至任意一個(gè)單體電壓達(dá)到放電終止電壓；

c)計(jì)量放電容量和放電比能量；

d)重復(fù)步驟a)～c)5次，當(dāng)連續(xù)3次試驗(yàn)結(jié)果的極差小于額定容量的3%，可提前結(jié)束試驗(yàn)，取最后3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。

1.2.2 模塊室溫倍率放電性能測(cè)試

a)電池模塊以1I1充電至電壓上限轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時(shí)停止充電，若充電過(guò)程中有單體電池電壓超過(guò)終止電壓0.1V時(shí)停止充電，充電后擱置1h；

b)室溫下,蓄電池模塊以3I1電流放電，直至任意一個(gè)單體電壓達(dá)到放電終止電壓；

c)計(jì)量放電容量。

二、結(jié)果與討論

商業(yè)化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果如圖2所示。磷酸鐵鋰電池的首周放電容量為77.80Ah(質(zhì)量比容量42.98Ah/kg)，500周循環(huán)后放電容量為72.01Ah(質(zhì)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(zhì)量比容量58.07Ah/kg)，500周循環(huán)后放電容量為70.69Ah(質(zhì)量比容量52.75Ah/kg)，容量保持率為90.84%。

圖2 商業(yè)化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果

由此可見(jiàn)，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性高于三元電池，而三元電池在比容量方面更有優(yōu)勢(shì)，而其額定電壓也高于磷酸鐵鋰。因而可以預(yù)見(jiàn)，三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰電池，后續(xù)的放電容量測(cè)試將對(duì)此進(jìn)行具體的驗(yàn)證。

商業(yè)化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的放電容量測(cè)試所得放電容量曲線如圖3所示。磷酸鐵鋰電池3次循環(huán)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(huán)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(yè)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(tái)，而三元電池的放電平臺(tái)4.05～3.35V，電壓平臺(tái)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(jiàn)，由于三元電池的比容量和電壓平臺(tái)均高與磷酸鐵鋰電池，因而商業(yè)化三元電池的比能量高于磷酸鐵鋰電池。

對(duì)商業(yè)化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊(均為5支單體串聯(lián))的放電容量測(cè)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(huán)的放電容量分別為76.91Ah、77.72Ah和77.88Ah，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(huán)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(cè)放電容量。

圖4 商業(yè)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(tái)，而三元電池模塊的放電平臺(tái)范圍較寬，約在20.75～17V間，這與單體的放電曲線相對(duì)應(yīng)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(cè)試的比能量與單體測(cè)試結(jié)果相近。

商業(yè)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(cè)試結(jié)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(shuō)明商業(yè)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(wú)顯著差別。

圖5 商業(yè)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(tái)約為15.75～15V，三元電池模塊的放電電壓平臺(tái)約為19.5V～16.5V，對(duì)比1C倍率下的放電曲線發(fā)現(xiàn)，3C倍率下的放電電壓平臺(tái)有所下降，這是因?yàn)樵诟弑堵氏聵O化現(xiàn)象加劇的原因所造成的。

三、結(jié)論

商業(yè)化動(dòng)力磷酸鐵鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)于三元電池，其耐久性更為優(yōu)異。商業(yè)化三元電池放電電壓平臺(tái)高，比容量高，三元電池單體和模塊的能量密度超過(guò)200Wh/kg，高于磷酸鐵鋰電池(約136Wh/kg)，因而可以為電動(dòng)汽車(chē)提供較長(zhǎng)的續(xù)航里程。磷酸鐵鋰電池和三元電池高倍率下都有較為優(yōu)異的放電能力。電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)商基本是根據(jù)汽車(chē)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行電池體系選型；而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)買(mǎi)家而言，首先應(yīng)了解電動(dòng)汽車(chē)所用電池的體系是磷酸鐵鋰電池還是三元電池，從而根據(jù)按自己的實(shí)際需求進(jìn)行車(chē)型選擇。

參考：張躍強(qiáng)等《商業(yè)化磷酸鐵鋰與三元?jiǎng)恿?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池性能對(duì)比分析》

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原文標(biāo)題：商業(yè)化磷酸鐵鋰與三元?jiǎng)恿︿囯x子電池性能對(duì)比分析

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