磷酸铁锂锂电池与三元锂电池性能对比，氢燃料电池与三元锂电池谁更安全？
来源：宝鄂实业
2019-08-01 19:54
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【1】什么是磷酸铁锂电池
所谓磷酸铁锂电池，就是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。这一类电池的特点是不含贵重金属元素(比如钴等)。在实际使用中，磷酸铁锂电池具有耐高温，安全稳定性强，价格便宜，循环性能更好的优势。
【2】什么是三元材料锂电池
而三元材料锂电池是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池。与磷酸铁锂不同，三元锂电池电压平台很高，这也就意味着在相同的体积或是重量下，三元锂电池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充电、和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势。
【3】主要区别
✰铁锂标称电压3.2-3.3V，锰系3.6-3.7V，这个是最明显的区别。
✰铁锂体系的优点：理论寿命长，理论耐过充过放性能优良。
✰三元体系的优点：能量密度高，低温性能好，体积小，放电线性好。
✰铁锂的缺点：体积大，重量大，放电线性不好，低温性能差。
✰三元体系的缺点：循环寿命略差，高温条件下寿命差。
单论电池，也没有所谓的谁更好谁更差。只是套用到实际使用场景中，三元锂电池相比磷酸铁锂电池，更加适应现在以及未来的家用电动汽车。
三元材料适合新能源汽车
【1】低温放电性能更好
我国幅员辽阔，气候复杂，从最北端的东北三省到最南端的海南诸岛温度变化非常丰富。以北京为例，作为电动汽车的主力市场，北京夏季最高温度在40℃左右，而冬季则基本保持在零下16℃左右，甚至更低。这样的温度区间显然适合低温性能更佳的三元锂电池。而注重耐高温性能的磷酸铁锂电池在北京的冬季会显得有些乏力。
“相对25℃容量”是指不同温度条件下放电容量与25℃时放电容量的比值。该数值能够准确反映出电池在不同温度条件下续航的衰减，越接近100%，电池表现越好。
从上图中能够看出，以25℃为基准常温，两类电池在55℃高温下放电与常温25℃下放电，放电容量几乎没有差别。但在零下20℃时，三元锂电池与磷酸铁锂电池相比有比较明显的优势。
【2】能量密度更高
根据国内三元材料18650圆柱电池龙头企业——比克电池提供的资料，其18650电池的能量密度已经达到了232Wh/kg，后续将会进一步提高至293Wh/kg。而相比之下，目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150Wh/kg左右，据国内电池行业专家剖析，未来几年之内，磷酸铁锂电池的能量密度能够达到300Wh/kg的希望非常渺茫。
不同于体积庞大的电动巴士，对于家用电动汽车来说，空间永远是第一位的。能量密度较低的磷酸铁锂电池将会占据原本就不多的汽车空间，并且由于更重的质量，在使用时的放电续航也会受到比较大的影响。相对而言能量密度较高的三元锂电池在解决重量问题的同时也为家庭用车节省出了空间。
【3】充电效率更高
除了续航之外，充电也是电动汽车在实际使用中的重要环节，而三元锂电池在充电效率方面较磷酸铁锂电池有着非常大的优势。
目前市面上较为常见的充电方式为恒流恒压式充电。一般在充电开始时先采用恒流充电，此时的电流较大，充电效率相对更高。而在电压达到一定数值之后，降低电流改为恒压充电，这样可以让电池充的比较满一些。在这个过程中，恒流充电容量与电池总容量的比值，称为恒流比。它是衡量一组电池在充电过程中充电效率的关键数值。
通常百分比越大说明在恒流阶段充入的电量越高，也就证明该电池的充电效率更高。
从表中可以看出，三元锂电池与磷酸铁锂电池在10C以下充电时，恒流比无明显差距，10C以上倍率充电时，磷酸铁锂电池恒流比例迅速降低，充电效率迅速降低。正如电动车当中的电池包一样，储氢罐是用来存储氢气的设备，燃料电池反应堆是用来把氢气和氧气转化成电能和水的设备。这两者加在一起，就构成了相当于电动汽车的电池包，能够持续为电机和整车电器设备提供电力。
氢燃料电池的好处显而易见，电力转换效率极高，而且过程中十分安静，也不会需要大量散热。这就是为什么丰田Mirai仅仅携带 5kg 氢气就能续航700公里+的原因。极大的能量密度和极高的能量转换效率，是氢燃料电池最大的特点。燃料电池反应堆的核心技术是质子交换膜以及催化剂，这些技术目前主要被欧美大公司所垄断，在中国并没有形成太大规模的产业化。所以反应堆被列为核心技术就很容易理解了，那么储气罐为什么也是核心技术呢？
■ 密封和耐久性能的好坏，决定了储气罐的性能
就如同一个大国的装备制造水平一样，在工业和民用领域，密封材料的性能也是衡量一个大国制造业水平的重要依据。欧美很多国家对于高性能密封材料的配方和制造工艺是绝对保密的。这就是为什么在传统汽车领域，那些顶级性能的刹车系统和汽油柴油直喷发动机的燃油共轨系统都来自于欧美供应商，因为它们的核心技术就是密封技术。
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▲氢燃料电池储气罐的结构
对于氢燃料电池车也是这样，要想提高续航里程就需要多谢带氢气，而能够储存氢气的压力容器对于压力的承受力，就是能够携带氢气多少的关键。正因为氢气的密度很小，所以必须经过压缩甚至是低温液化后，储存在压力容器当中才能获得足够的能量密度，容器可承受的压力越大，单位体积内携带的氢气就越多。而容器可承受压力越大，也意味着对密封性能和抗压性能的要求越高。丰田Mirai在氢气储存方面的性能是世界领先的，并且车型已经量产，即便这样，携带5kg的氢气仍然需要两个很大的储气罐，因此占据了车内后部的很多空间，使得整车在造型上有别于传统电动车，车尾高度相对较高。
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▲如此巨大的储氢罐占用了大量空间，并且仅能储存5kg氢气
■ 储氢罐对于安全性的设计有哪些？与三元锂电池相比谁更安全？
在整个燃料电池车运作的过程中，燃料电池反应堆是一个化学反应的场所。它只需要源源不断的供给少量氢气就可以持续工作，如果发生氢气泄漏或者安全事故，可以迅速切断供应氢气的路径来防止氢气的燃烧。大家都能想到，最有可能影响燃料电池车安全性的是储气罐。
所以在设计储气罐时必须充分考虑安全碰撞问题：一方面储气罐的壳体材料需要够轻，另一方面需要有足够的强度用于耐受撞击。因此，储氢罐一般都是以成本高昂的碳纤维及其它复合材料组合而成。但是，我们知道，不管用多么坚固的材料制造储气罐壳体，也只是在一定的速度条件下，能保障碰撞的安全性。然而实际道路行驶时的速度，肯定要远高于实验室做安全碰撞的速度，那么一旦储氢罐破裂，造成氢气泄漏与空气混合在一起是不是就会马上发生爆炸呢？
事实上，在储氢的设计中都考虑到了这一点。正因为储氢罐内部的氢气压力很大，所以在储气罐上设计有紧急泄压阀，一旦发生氢气泄漏或着火，紧急泄压阀会自动打开并迅速释放储气罐内的氢气。我们知道氢气的密度比空气小得多，并且必须与氧气结合才能产生燃烧或者爆炸，被高压释放的氢气在靠近储气罐的部分由于压力高流速极快，没有什么机会与氧气接触，而远离储气罐的氢气由于其密度小的特点，又会迅速的在空气中上升。即便这个时候空气当中有明火能够满足引燃条件，那么也仅仅只是在空气上空形成一个火球，并不会对人员造成伤亡。这种高速释放氢气的技术也同样被应用在加氢站的大型储气罐之中。
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▲氢燃料电池汽车的核心科技
与三元锂电池相比，氢气储存过程当中的安全性应该是更高的，因为可以通过隔绝氧气，或者迅速释放的方式，让危险的氢气迅速逃离人群，某种意义上来讲甚至比液态的汽油更安全。而三元锂电池会随着时间的推移电池的老化，有可能在内部发生短路的现象，或者因外力的撞击导致内部的短路自燃。最可怕的是，无论是由内而外引发的自燃还是由外而内导致的燃烧，过程中都会释放大量氧气，这就意味着即便与空气隔绝，电池也会越烧越旺。
