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电池种类对电动车性能有啥影响?磷酸铁锂和三元锂哪个好?

2018/08 百韧锂电池 阅读

相信很多人都听说过,新能源车用的动力电池分为三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。那么,这两种不同材质的电池在性能上有些什么样的区别?是什么造成了这些区别呢?由于政府补贴倾向性的变化,过去在磷酸铁锂电池领域已经实现量产的比亚迪,又开始转向三元锂的大规模开发,这其中又有什么原由?

■ 锂电池的结构原理

如果见过锂电池电芯的话一定知道,它的外观跟我们常用的5号电池差不多,只是尺寸稍微大一点。我们从外部就能看到电池的正极和负极,以及整个电池的外壳。而电池内部的结构和工作原理又是怎样的呢?

电池内部主要由正极、负极、电解液和隔膜4部分组成,这些材料被封装在一个圆柱形的钢瓶内。由于正极材料上有很多微型的孔洞,所以可以储存大量电子。在放电过程中,这些电子通过外电路,移动到正极材料上。当电池接通外部用电器之后,会形成从正极到用电器再到负极的回路。这就是电池的基本工作原理。

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▲锂电池的基本充放电原理图

负极材料其实是我们很常见的石墨。由于石墨天然具有很多孔洞,并且导电性好,其能够抓住电子的容量要大大超过正极材料。所以对于锂电池来说,主要的瓶颈卡在正极材料上。这也是各大电池公司为了提高锂电池的带电量(能量密度),不断的在对正极材料性能进行改进的原因。我们常说的三元锂和磷酸铁锂,指的都是正极材料。

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▲被封装好的电芯(圆柱形)

在传统的铅酸电池领域,电解液采用的是成本极低的稀硫酸。这也是为什么我们有时在更换汽车电瓶时,一个新电瓶在首次使用的时候需要往里面加注一次液体,这个液体就是电解液。由于稀硫酸的主要成分是水,水在酸性粒子的作用下会产生导电性,所以可以在电池内部行成电流回路。但由于水的导电性差,传统铅酸电池的电压只有不到2伏,而我们使用的锂电池,单个电芯的电压可以达到3-4伏,所以需要用锂盐来替代传统的水基电解液。

隔膜的作用是用来阻断电子,让电子沿着外电路路径流动,但离子可以通过隔膜,这样既能行成回路,又不会让正负极短路。

■ 锂电池的充放电原理

锂电池之所以能够充放电,其本质是在充电时把电能转化为化学能,在放电时把化学能转换成电能的过程。简单说就是,充电时锂离子从正极材料通过电解质嵌入到负极材料中;放电时锂离子从负极材料经过电解质嵌入到正极材料中,而电子则通过外电路,形成电流。对于锂离子电池而言,正极材料的性能至关重要,它必须具备良好的导电性能、与电解质有良好的相容性以及出色的稳定性。

■ 磷酸铁锂和三元锂的性能区别

磷酸铁锂电池有着较高的安全性和较长的循环寿命。有实验验证过,经过1600次充放电循环后,磷酸铁锂电池仍然可以具备80%的带电量。不仅如此,在大功率放电过程中,磷酸铁锂电池的表现也非常稳定。这是我们经常遇到的使用场景:在急加速或者跑高速时,电池需要大功率放电,而在这个过程中,电压的稳定能让车辆具备更好的性能。而且在大功率放电过程中电池的实际容量会减小,这也是为什么电动车跑高速续航里程会降低的原因之一,而磷酸铁锂电池在稳定性方面的表现非常突出。

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▲纯电动车使用的电池包和电动机总成

磷酸铁锂的另一个优点是安全性高。可耐受700-800度高温,对于穿刺、撞击、短路等极端形况不会释放出氧分子,所以不会剧烈燃烧爆炸。这也是为什么比亚迪至今仍然在载客人数较多的客车中使用磷酸铁锂电池的原因。因为客车载客人数多,相比乘用车对安全性要求更高,但对重量和体积又没那么敏感,所以磷酸铁锂是非常好的选择。

不过磷酸铁锂也有两个不容忽视的缺点:第一是能量密度相对较低、重量大体积大;第二是对温度相对敏感,低温环境下,带电量会明显下降。由于能量密度达不到国家规定的150瓦时/千克的要求,所以不适合大规模应用在乘用车中。

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▲带水冷系统和均衡控制的电池包总成

三元电池中现在主要有两种技术路线,分别是镍钴锰和镍钴铝,其中又以镍钴锰三种元素的组合最具代表性。它结合钴酸锂,镍酸锂和锰酸锂三种材料的优势,实际上是把三种材料整合在了一起。所以其综合性能比单一材料要更好,其能量密度可以超过200瓦时/千克,所以能量密度是三元锂的最大优势。

但是与磷酸铁锂相反的是,三元锂的安全性较差,最高耐受温度为250-300度。所以遇到撞击、穿刺,很容易发生起火爆炸。所以对于冷却系统,以及整个电池包的热管理系统需要投入更高的成本开发和设计。

■ 三元锂电池正在高速普及应用

由于国家在乘用车领域的政策引导,把能量密度放到了比较高的位置,所以各个车企都在推进或者换装三元锂电池。即便是之前掌握磷酸铁锂技术优势的比亚迪,也在逐步把旗下车型使用的动力电池换装成三元锂。这些车型包括:唐、秦还有腾势等等。虽然现在采用三元锂电池的腾势还没有上市销售,但有消息称,下一轮新产品将会使用三元锂电池。

包括日系厂商的雅阁、凯美瑞混动版,现在最新销售的车型也都在使用三元锂电池。使用三元锂之后,由于能量密度显著提高、电池体积减小、重量减轻,给乘员舱或后备箱腾出了更多实用空间。所以,整体来说,三元锂电池在当下政策环境下拥有更加明显的优势。