磷酸铁锂和三元锂电池，究竟有什么不一样？

1.1实验材料选择

 

正极材料磷酸铁锂和镍钴锰配比为1∶1∶1的三元材料，负极选用MCMB，电解液选用EC、PC、EMC和DEC组成的混合溶剂，电解质为LiPF6作为锂盐，隔膜选用单层PP25 μm。

 

1.2多孔膜电极与复合薄膜电极的制备

 

采用方形铝壳LP2770102电池的壳、盖及内部相同的多极耳卷绕结构，按照电池制作工艺分别制作正极材料为磷酸铁锂和三元材料的两种电池。得到磷酸铁锂电池平均容量、内阻、质量分别为7.2 Ah、1.06 mΩ、361 g;三元材料平均电池8.6 Ah、1.12 mΩ、360 g。

 

1.3分析与测试

 

测试条件为:三元材料电池充放电电压控制范围为2.5~4.2 V，1 C =7.5 A，磷酸铁锂材料电池充放电电压控制范围为2.0~3.65 V，1 C =6.5 Ah，无特殊说明测试温度为(25±2)℃。

 

2、结果与讨论

 

2.1放电性能测试

 

从图1与表1可得出，相同体积电池，正极使用三元材料比使用磷酸铁锂材料放电容量高19.4%，比能量高37.5%，放电比功率高39.7%。由于三元材料质量比容量、压实密度均高于磷酸铁锂材料，所以使用三元材料电池放电有较大优势。

 

(a)三元材料电池放电曲线

 

(b)磷酸铁锂电池放电曲线

 

表1电池放电数据

 

2.2充电性能比较

 

从图2和表2可见，三元材料电池与磷酸铁锂材料电池在不大于10 C充电时，恒流充电容量/总容量比例无明显差距，10 C以上倍率充电时，磷酸铁锂电池恒流充电容量/总容量比例较小，充电倍率越大，恒流充电容量/总容量比例与三元材料电池差距越明显，这主要与磷酸铁锂在30%~80%SOC是电压变化较小有关，如负极使用软碳或硬碳，磷酸铁锂电池大倍率充电性能够达到三元电池的水平。

 

(a)三元材料电池充电曲线

 

(b)磷酸铁锂电池充电曲线

 

表2电池的充电数据

 

2.3循环性能比较

 

图3中三元材料电池循环3 900次剩余容量66%，磷酸铁锂电池循环5 000次剩余容量84%，循环寿命比三元材料电池，磷酸铁锂电池优势明显。按照剩余容量/初始容量=80%作为测试结束点，目前三元材料电池实验室1 C循环寿命在2 500次左右，磷酸铁锂电池实验室1 C循环寿命在3 500次以上，部分达到5 000次以上。

 

电池循环曲线

 

2.4不同温度放电测试

 

不同温度电池的放电比较如图4所示。在55 ℃条件下放电，三元材料电池与磷酸铁锂在常温下比较，放电容量都没有差别，-20 ℃条件下放电，三元材料电池放电容量/常温容量比例比磷酸铁锂电池高15%，如表3所示。

 

 

(a)三元材料电池不同温度放电曲线

 

 

(b)磷酸铁锂电池不同温度放电曲线

 

表3电池的放电数据

 

3、结论

 

本文通过制作相同结构的电池，得出三元材料与磷酸铁锂材料在HEV电池应用优缺点，三元材料在电池比能量、比功率、大倍率充电、低温性能等方面有优势，循环性能方面则是磷酸铁锂材料优势明显，在安全方面磷酸铁锂电池也优于三元材料。在选用电池时可根据不同用途选择，如大巴车空间较大，对电池比能量和比功率要求相对较低，可选择磷酸铁锂材料电池，发挥其循环性能好的特性，轿车空间有限，电池用量小，则选用高比能量与高比功率三元材料电池更为合适。如上图所示。在充电过程中，由于电池外加端电压的作用，正极集流体附近的电子在电场驱动下向负极运动，到达负极后，与负极材料中的锂离子结合，形成局部电中性存放在石墨间隙中;消耗了部分锂离子的负极表面，锂离子浓度变低，正极与负极之间形成离子浓度差。

 

在浓差驱动下，正极材料中的锂离子从材料内部向正极表面运动，并沿着电解质，穿过隔膜，来到负极表面;进一步在电势驱动作用下，向负极材料深处扩散，与从外电路过来的电子相遇，局部显示电中性滞留在负极材料内部。放电过程则刚好相反，包含负载的回路闭合后，放电过程开始于电子从负极集流体流出，通过外电路到达正极;终于锂离子嵌入正极材料，与外电路过来的电子结合。

 

负极石墨为层状结构，锂离子的嵌入和脱出的方式，在不同类型的锂离子中没有太大差异。不同正极材料，其晶格结构存在明显差异，充放电过程中的锂离子扩散进出，过程略有不同。