車用三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池對比分析

張長煦，倪子瀟

摘 要：以2019年新能源汽車補(bǔ)貼政策以及2019年上半年動力電池裝機(jī)量情況為導(dǎo)向，通過分析相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池。結(jié)果表明，三元鋰電池具有較高的能量密度，適用于乘用車等對續(xù)航里程要求高的車型;磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性、循環(huán)壽命和快速充電性能，適用于營運(yùn)車輛，如城市公交和出租車。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;動力電池;三元鋰電池;磷酸鐵鋰電池;對比分析

中圖分類號：U473 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-28-03

Comparative analysis of ternary lithium battery and LiFePO4 battery

Zhang Changxu， Ni Zixiao

（ School of Automobile， Changan University， Shaanxi Xian 710064 ）

Abstract： Based on the 2019 new energy vehicle subsidy policy and the power battery installed capacity in the first half of 2019， two types of power batteries： ternary lithium Battery and LiFePO4 Battery are compared by analyzing relevant ?test data. The results show that the ternary lithium Battery has high energy density and is suitable for vehicles with high cruising range such as passenger cars; LiFePO4 Battery has high safety， cycle life and fast charging performance， suitable for operating vehicles such as city buses and taxis.

Keywords： New energy vehicles; Power battery; Ternary lithium battery; LiFePO4 battery; Comparative analysis

CLC NO.： U473 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-28-03

前言

2019年3月26日，財(cái)政部聯(lián)合四部委下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》（下稱《通知》），明確了本年度的補(bǔ)貼政策。與2018年相比，繼續(xù)以續(xù)駛里程作為補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，但簡化為兩檔，補(bǔ)貼金額也大幅度下降，呈現(xiàn)出明顯的退坡趨勢。《通知》在新能源乘用車技術(shù)要求中規(guī)定，動力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不應(yīng)低于125Wh/ kg，與2018年的105Wh/kg相比也有了不小的提升?！锻ㄖ窂?015年的普惠政策轉(zhuǎn)向2019年的“扶優(yōu)扶強(qiáng)”方針，旨在為企業(yè)提供更加寬松的政策環(huán)境，進(jìn)一步鼓勵發(fā)展以動力電池為主的行業(yè)核心技術(shù)，確保2020年補(bǔ)貼全面退出，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的“單輪驅(qū)動”。

2019年上半年，國內(nèi)市場新能源汽車產(chǎn)銷量繼續(xù)增長，動力電池裝機(jī)量持續(xù)上升，從電池類型來看，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池幾乎占據(jù)整個市場，其中三元鋰電池占比最大，達(dá)到67.37%，其次是磷酸鐵鋰電池[1]。

由此可見，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是目前兩種主流動力電池。這兩者雖同屬于鋰離子電池，但在性能方面仍存在諸多不同，國內(nèi)目前針對這兩種電池的對比研究很多，但絕大多數(shù)僅局限于電池性能本身，未將其與車輛相關(guān)性能結(jié)合，存在化學(xué)、材料與車輛的學(xué)科交叉不相容性。本文通過對比分析兩種電池的性能差異，旨在確定其各自所適用的車型，為主機(jī)廠提供相關(guān)參考。

1 主流動力電池簡介

鋰離子電池（Li-ion Batteries）是一種由二次鋰電池發(fā)展而來的新型電池[2]，其負(fù)極材料較為固定，商業(yè)化的只有石墨和鈦酸鋰（Li2TiO3，LTO），其中石墨應(yīng)用最廣泛，具有成本低、循環(huán)壽命長、電勢低且穩(wěn)定的特點(diǎn)。正極材料主要有磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、鎳鈷鋁（NCA）和鎳鈷錳三元（NCM）幾種，目前作為電動汽車動力電池常用的有NCM和LFP兩種，前者具有較高的能量密度，后者則擁有較好的安全性。

在經(jīng)過鉛酸蓄電池、鎳氫電池等嘗試后，如今電動汽車動力源以鋰離子電池為主，其中就包括三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

2 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池性能對比

本次研究受實(shí)驗(yàn)條件限制，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[3][4]。

2.1 倍率放電性能

電動汽車在不同工況下對動力電池的需求不同，這便使得其必須具有在不同倍率下的放電能力。放電性能直接關(guān)系到整車動力性，因此對電池倍率放電特性的研究尤為重要。本文選取四種放電倍率（電流）：、1C、1.5C、2C進(jìn)行研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于三元電池，磷酸鐵鋰電池存在明顯的放電平臺，且隨著放電倍率的增大，平臺的電壓值減小。在放電過程中，由于放電平臺的存在，磷酸鐵鋰電池在放出一定電量后兩端電壓變化劇烈，而三元電池兩端電壓的下降則較為平緩。除此之外，三元電池的放電平臺和比容量均高于磷酸鐵鋰電池，故可得出重要結(jié)論，即三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰電池。

2.2 倍率充電性能

電動汽車充電時(shí)間較長是目前制約其發(fā)展的一大原因，追根溯源其與動力電池的充電性能息息相關(guān)。故本文對不同倍率的充電性能進(jìn)行研究，選取三種倍率（電流）：、1C，充電至電池所對應(yīng)的電壓上限后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至截至電流，充電過程結(jié)束后，靜置電池1h。

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種電池在三種不同充電倍率下的電量基本相同，隨著充電倍率（電流）的增大，恒流充電階段占總時(shí)間和總充電容量的比重有所下降。在1C充電倍率時(shí)，磷酸鐵鋰電池充電時(shí)間為1.4h，遠(yuǎn)低于三元電池的2.3h，說明前者具有較好的快速充電特性，三元材料則相對較弱。

2.3 循環(huán)壽命測試

根據(jù)GB/Z18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》以及國際電工委員會（IEC）制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)鋰離子電池循環(huán)壽命的測定方法。為縮短試驗(yàn)測定時(shí)間，在實(shí)際過程中常采用快速檢測法，即以某一大電流恒流充電至電壓上限，轉(zhuǎn)用恒壓充電，直至電流降至定值停止充電;擱置10～30min;以相同電流放電至終止條件;擱置10～30min;重復(fù)上述過程，連續(xù)循環(huán)一定次數(shù)或電池容量衰減到一定程度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過相同循環(huán)次數(shù)的充放電測試后，磷酸鐵鋰電池的容量保持率高于三元電池，即說明磷酸鐵鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性更佳，相應(yīng)的使用壽命也就越長。

2.4 高低溫放電特性

鋰離子電池外特性對環(huán)境條件較為敏感，尤其易受環(huán)境溫度影響，低溫條件下續(xù)航里程容易大幅下降。本文對比磷酸鐵鋰電池[5]和三元鋰電池[6]的高低溫放電特性，分析兩者在-20℃、20℃、65℃下的放電性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種電池放電特性受溫度影響基本一致。在相同放電倍率下，環(huán)境溫度越低，電池的放電容量（時(shí)間）越小，電池平臺電壓越低，開始放電時(shí)電壓下降的也就越多，這就使得電池的平均電壓降低。相比于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在低溫環(huán)境下的放電表現(xiàn)相對穩(wěn)定，具有更高的放電容量和能量保持率;但磷酸鐵鋰電池在高溫下卻顯得更為可靠，放電容量和能量保持率超負(fù)荷較少，安全性相對較好。所以兩者在高低溫放熱表現(xiàn)上各有利弊。

2.5 荷電保持能力

電動汽車要求動力電池能夠在充電后擱置較長一段時(shí)間內(nèi)電量維持在較高的水平，故電池的荷電保持能力也是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一。

對磷酸鐵鋰和三元材料電池分別進(jìn)行常溫和高溫的荷電保持能力測試，常溫的測試方法為在常溫（20℃）下保持30天，高溫的測試方法為在55℃環(huán)境溫度下保持7天，之后使用0.3C倍率的電流放電。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池在常溫下的荷電保持能力要略好于三元材料的電池;但在高溫下，三元材料電池的荷電保持能力要更優(yōu)于前者。綜合來看，兩種材料的電池的常溫、高溫荷電保持能力均高于95%，說明其自放電率低，均滿足電動車的使用要求。

3 結(jié)論

綜合以上分析可得，三元電池放電平臺電壓顯著高于磷酸鐵鋰電池，使車輛具有較強(qiáng)的動力性，即大電流放電能力，并且放電平臺的存在可延長放電時(shí)間，所以適用于對加速性、爬坡性要求較高的車型，例如越野車、運(yùn)動型轎車。從能量密度來看，三元電池更優(yōu)，故適用于城市公交，可在停站期間進(jìn)行短時(shí)間大電流充電，滿足站距之間的能量需求即可;三元電池還可用于中、重型貨車，滿足較長時(shí)間的運(yùn)行需求。在快充性能上磷酸鐵鋰電池更好，故其可用于城市公交、出租車一類的營運(yùn)車輛上，在駕駛員休息間隙可進(jìn)行快充，保證運(yùn)行時(shí)間;三元電池可用于家用乘用車，即保證日間通勤期間的需求，夜晚可進(jìn)行充電。磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命優(yōu)于三元電池，故其可用于使用頻率較多的車輛，例如城市公交、出租車等營運(yùn)車輛，可保證電池使用周期，避免更換電池帶來的高昂成本。從高低溫的放電特性來看，三元鋰電池在低溫下的放電表現(xiàn)更為穩(wěn)定，更適合在低溫環(huán)境下工作，故三元鋰電池更適合特種作業(yè)的專用車，而磷酸鐵鋁電池的適用范圍相對較窄，在諸如東北地區(qū)的低溫條件下使用會發(fā)生故障。兩種電池的荷電保持能力都較高，在長期靜置后仍然能夠保證較高的續(xù)航里程需求，在適用車輛上并無較大區(qū)分。

參考文獻(xiàn)

[1] 上半年動力電池裝機(jī)量增長翻倍10家企業(yè)瓜分9成市場.高工鋰電網(wǎng)，2019.

[2] 麻友良，嚴(yán)運(yùn)兵.電動汽車概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 吳文迪.磷酸鐵鋰電池和三元材料電池在試驗(yàn)過程中的不同特性[A].河南省汽車工程學(xué)會.第十一屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集[C].河南省汽車工程學(xué)會：河南省汽車工程學(xué)會，2014：3.

[4] 張躍強(qiáng)，田君，高洪波，陳芬，高申.商業(yè)化磷酸鐵鋰與三元動力鋰離子電池性能對比分析[J].電子世界，2019（07）：37-39+41.

[5] 謝金紅，吳小蘭.電動汽車鋰離子電池溫度性能研究[J].輕工科技， 2018，34（08）：75-76.

[6] 楊瑩瑩，魏學(xué)哲，劉耀鋒.車用鋰離子電池低溫性能研究[J].機(jī)電一體化，2016，22（06）：30-35+46.