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[电池材料] 车用三元锂电池与磷酸铁锂电池对比分析

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发表于 2020-6-2 09:01:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车用三元锂电池与磷酸铁锂电池对比分析

张长煦,倪子潇

(长安大学 汽车学院,陕西 西安710064)

【中国汽车材料网】摘 要:以2019年新能源汽车补贴政策以及2019年上半年动力电池装机量情况为导向,通过分析相关试验数据,对比三元锂电池与磷酸铁锂电池。结果表明,三元锂电池具有较高的能量密度,适用于乘用车等对续航里程要求高的车型;磷酸铁锂电池具有较高的安全性、循环寿命和快速充电性能,适用于营运车辆,如城市公交和出租车。
关键词:新能源汽车;动力电池;三元锂电池;磷酸铁锂电池;对比分析

前言
2019年3月26日,财政部联合四部委下发《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》(下称《通知》),明确了本年度的补贴政策。与2018年相比,继续以续驶里程作为补贴标准,但简化为两档,补贴金额也大幅度下降,呈现出明显的退坡趋势。《通知》在新能源乘用车技术要求中规定,动力电池系统的质量能量密度不应低于125Wh/kg,与2018年的105Wh/kg 相比也有了不小的提升。《通知》从2015年的普惠政策转向2019年的“扶优扶强”方针,旨在为企业提供更加宽松的政策环境,进一步鼓励发展以动力电池为主的行业核心技术,确保2020年补贴全面退出,实现新能源汽车的“单轮驱动”。
2019年上半年,国内市场新能源汽车产销量继续增长,动力电池装机量持续上升,从电池类型来看,三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和钛酸锂电池几乎占据整个市场,其中三元锂电池占比最大,达到67.37%,其次是磷酸铁锂电池[1]。
由此可见,三元锂电池和磷酸铁锂电池是目前两种主流动力电池。这两者虽同属于锂离子电池,但在性能方面仍存在诸多不同,国内目前针对这两种电池的对比研究很多,但绝大多数仅局限于电池性能本身,未将其与车辆相关性能结合,存在化学、材料与车辆的学科交叉不相容性。本文通过对比分析两种电池的性能差异,旨在确定其各自所适用的车型,为主机厂提供相关参考。

1 主流动力电池简介
锂离子电池(Li-ion Batteries)是一种由二次锂电池发展而来的新型电池[2],其负极材料较为固定,商业化的只有石墨和钛酸锂(Li2TiO3,LTO),其中石墨应用最广泛,具有成本低、循环寿命长、电势低且稳定的特点。正极材料主要有磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、镍钴铝(NCA)和镍钴锰三元(NCM)几种,目前作为电动汽车动力电池常用的有NCM 和LFP 两种,前者具有较高的能量密度,后者则拥有较好的安全性。
在经过铅酸蓄电池、镍氢电池等尝试后,如今电动汽车动力源以锂离子电池为主,其中就包括三元锂电池和磷酸铁锂电池。

2 三元锂电池与磷酸铁锂电池性能对比
本次研究受实验条件限制,部分试验数据来源于参考文献[3][4]。
2.1 倍率放电性能
电动汽车在不同工况下对动力电池的需求不同,这便使得其必须具有在不同倍率下的放电能力。放电性能直接关系到整车动力性,因此对电池倍率放电特性的研究尤为重要。本文选取四种放电倍率(电流):、1C、1.5C、2C 进行研究。
试验结果表明,相比于三元电池,磷酸铁锂电池存在明显的放电平台,且随着放电倍率的增大,平台的电压值减小。在放电过程中,由于放电平台的存在,磷酸铁锂电池在放出一定电量后两端电压变化剧烈,而三元电池两端电压的下降则较为平缓。除此之外,三元电池的放电平台和比容量均高于磷酸铁锂电池,故可得出重要结论,即三元电池的能量密度高于磷酸铁锂电池。
2.2 倍率充电性能
电动汽车充电时间较长是目前制约其发展的一大原因,追根溯源其与动力电池的充电性能息息相关。故本文对不同倍率的充电性能进行研究,选取三种倍率(电流):1C,充电至电池所对应的电压上限后转为恒压充电,直至截至电流,充电过程结束后,静置电池1h。
试验结果表明,两种电池在三种不同充电倍率下的电量基本相同,随着充电倍率(电流)的增大,恒流充电阶段占总时间和总充电容量的比重有所下降。在1C 充电倍率时,磷酸铁锂电池充电时间为1.4h,远低于三元电池的2.3h,说明前者具有较好的快速充电特性,三元材料则相对较弱。
2.3 循环寿命测试
根据GB/Z18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》以及国际电工委员会(IEC)制订的相关标准,设计锂离子电池循环寿命的测定方法。为缩短试验测定时间,在实际过程中常采用快速检测法,即以某一大电流恒流充电至电压上限,转用恒压充电,直至电流降至定值停止充电;搁置10~30min;以相同电流放电至终止条件;搁置10~30min;重复上述过程,连续循环一定次数或电池容量衰减到一定程度。
试验结果表明,经过相同循环次数的充放电测试后,磷酸铁锂电池的容量保持率高于三元电池,即说明磷酸铁锂电池的循环稳定性更佳,相应的使用寿命也就越长。
2.4 高低温放电特性
锂离子电池外特性对环境条件较为敏感,尤其易受环境温度影响,低温条件下续航里程容易大幅下降。本文对比磷酸铁锂电池[5]和三元锂电池[6]的高低温放电特性,分析两者在-20℃、20℃、65℃下的放电性能。
实验结果表明,两种电池放电特性受温度影响基本一致。在相同放电倍率下,环境温度越低,电池的放电容量(时间)越小,电池平台电压越低,开始放电时电压下降的也就越多,这就使得电池的平均电压降低。相比于磷酸铁锂电池,三元锂电池在低温环境下的放电表现相对稳定,具有更高的放电容量和能量保持率;但磷酸铁锂电池在高温下却显得更为可靠,放电容量和能量保持率超负荷较少,安全性相对较好。所以两者在高低温放热表现上各有利弊。
2.5 荷电保持能力
电动汽车要求动力电池能够在充电后搁置较长一段时间内电量维持在较高的水平,故电池的荷电保持能力也是衡量电池性能的重要指标之一。
对磷酸铁锂和三元材料电池分别进行常温和高温的荷电保持能力测试,常温的测试方法为在常温(20℃)下保持30天,高温的测试方法为在55℃环境温度下保持7 天,之后使用0.3C 倍率的电流放电。
实验结果表明,磷酸铁锂电池在常温下的荷电保持能力要略好于三元材料的电池;但在高温下,三元材料电池的荷电保持能力要更优于前者。综合来看,两种材料的电池的常温、高温荷电保持能力均高于95%,说明其自放电率低,均满足电动车的使用要求。

3 结论
综合以上分析可得,三元电池放电平台电压显著高于磷酸铁锂电池,使车辆具有较强的动力性,即大电流放电能力,并且放电平台的存在可延长放电时间,所以适用于对加速性、爬坡性要求较高的车型,例如越野车、运动型轿车。从能量密度来看,三元电池更优,故适用于城市公交,可在停站期间进行短时间大电流充电,满足站距之间的能量需求即可;三元电池还可用于中、重型货车,满足较长时间的运行需求。在快充性能上磷酸铁锂电池更好,故其可用于城市公交、出租车一类的营运车辆上,在驾驶员休息间隙可进行快充,保证运行时间;三元电池可用于家用乘用车,即保证日间通勤期间的需求,夜晚可进行充电。磷酸铁锂电池循环寿命优于三元电池,故其可用于使用频率较多的车辆,例如城市公交、出租车等营运车辆,可保证电池使用周期,避免更换电池带来的高昂成本。从高低温的放电特性来看,三元锂电池在低温下的放电表现更为稳定,更适合在低温环境下工作,故三元锂电池更适合特种作业的专用车,而磷酸铁铝电池的适用范围相对较窄,在诸如东北地区的低温条件下使用会发生故障。两种电池的荷电保持能力都较高,在长期静置后仍然能够保证较高的续航里程需求,在适用车辆上并无较大区分。


参考文献
[1]上半年动力电池装机量增长翻倍10 家企业瓜分9 成市场.高工锂电网,2019.
[2]麻友良,严运兵.电动汽车概论[M].北京:机械工业出版社,2012.
[3]吴文迪.磷酸铁锂电池和三元材料电池在试验过程中的不同特性[A].河南省汽车工程学会.第十一届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集[C].河南省汽车工程学会:河南省汽车工程学会,2014:3.
[4]张跃强,田君,高洪波,陈芬,高申.商业化磷酸铁锂与三元动力锂离子电池性能对比分析[J].电子世界,2019(07):37-39+41.
[5]谢金红,吴小兰.电动汽车锂离子电池温度性能研究[J].轻工科技,2018,34(08):75-76.

[6]杨莹莹,魏学哲,刘耀锋.车用锂离子电池低温性能研究[J].机电一体化,2016,22(06):30-35+46.
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