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[云晟锂电]磷酸铁锂与三元动力锂离子电池性能对比分析
目录：电池专题发布时间：2020-10-31 14:59:43点击率：
目前国内的主流动力电池，根据正极材料的不同，分为磷酸铁锂电池和三元电池两种。正是由于正极材料的不同，造成了这两种电池在性能上存在较大的差别。
磷酸铁锂材料结构稳定，热稳定性好，其循环性能和安全性优于三元材料；三元材料能量密度高，但由于充放电过程中材料结构不稳定，易发生相转变，因此其循环性能比磷酸铁锂差；三元材料的热稳定性较差，因此三元电池安全隐患高于磷酸铁锂，国内外关于电动汽车燃烧、爆炸的事故报道中，三元电池所引发的安全事故量显著高于磷酸铁锂电池。
一、实验过程
本文根据GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》和GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》的相关测试规程，对75Ah磷酸铁锂和三元NCM622电池的单体循环寿命、室温放电容量，以及�？�(5支单体串联)的室温放电容量、室温倍率性能进行了测试。电池单体和模块照片如图1所示。磷酸铁锂电池单体质量1.81kg，�？橹柿�9.05kg；三元电池单体质量1.34kg，�？橹柿�6.70kg。
图1 商业化磷酸铁锂电池(a)单体和(b)�？椋簧桃祷绯�(a)单体和(b)�？�
1.1 电池单体性能测试
磷酸铁锂电池单体充电电压上限为3.8V，放电终止电压为2V；磷酸铁锂电池�？槌涞绲缪股舷尬�19V。三元电池单体充电电压上限为4.2V，放电终止电压为3.0V；三元电池�？槌涞绲缪股舷尬�21.5V。
1.1.1 单体循环寿命测试
a)以1I1(I1＝75A)放电至终止电压；
b)搁置30分钟；
c)以1I1电流恒流充电至电压上限转恒压充电，至充电电流降至0.05I1时停止充电；
d)搁置30分钟；
e)以1I1放电至放电终止条件，记录放电容量；
f)按照b)～e)连续循环500次。
1.1.2 单体室温放电容量测试
a)1I1电流恒流充电至电压上限转恒压充电，至充电电流降至0.05I1时停止充电，搁置1h；
b)室温下，蓄电池以1I1电流放电，直到放电至终止电压；
c)计量放电容量，记录放电比能量；
d)重复步骤a)～c)5次，当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3%，可提前结束试验，取最后3次试验结果平均值。
1.2 电池�？樾阅懿馐�
1.2.1 �？槭椅路诺缛萘坎馐�
a)电池�？�(5支单体串联)以1I1充电至电压上限转恒压充电，至充电电流降至0.05I1时停止充电，若充电过程中有单体电池电压超过终止电压0.1V时停止充电，充电后搁置1h；
b)室温下，蓄电池以1I1电流放电，直至任意一个单体电压达到放电终止电压；
c)计量放电容量和放电比能量；
d)重复步骤a)～c)5次，当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3%，可提前结束试验，取最后3次试验结果平均值。
1.2.2 模块室温倍率放电性能测试
a)电池�？橐�1I1充电至电压上限转恒压充电，至充电电流降至0.05I1时停止充电，若充电过程中有单体电池电压超过终止电压0.1V时停止充电，充电后搁置1h；
b)室温下,蓄电池�？橐�3I1电流放电，直至任意一个单体电压达到放电终止电压；
c)计量放电容量。
二、结果与讨论
商业化磷酸铁锂电池和三元电池单体的循环寿命测试结果如图2所示。磷酸铁锂电池的首周放电容量为77.80Ah(质量比容量42.98Ah/kg)，500周循环后放电容量为72.01Ah(质量比容量39.78Ah/kg)，容量保持率为92.56%。三元电池的首周放电容量为77.82Ah(质量比容量58.07Ah/kg)，500周循环后放电容量为70.69Ah(质量比容量52.75Ah/kg)，容量保持率为90.84%。
图2 商业化磷酸铁锂电池和三元电池单体的循环寿命测试结果
由此可见，磷酸铁锂电池的循环稳定性高于三元电池，而三元电池在比容量方面更有优势，而其额定电压也高于磷酸铁锂。因而可以预见，三元电池的能量密度高于磷酸铁锂电池，后续的放电容量测试将对此进行具体的验证。
图3 商业化磷酸铁锂电池和三元电池单体的放电曲线
图3(a)和图3(b)所示分别为磷酸铁锂和三元电池的3次放电容量曲线，磷酸铁锂电池在3.25～3.15V间有平缓的放电电压平台，而三元电池的放电平台4.05～3.35V，电压平台较宽。记录磷酸铁锂的3次放电能量分别为248.90Wh(比能量137.51Wh/kg)、248.15Wh(比能量137.10Wh/kg)、247.31Wh(比能量136.64Wh/kg)，平均比能量为137.08Wh/kg；而三元电池的三次放电能量分别为278.78Wh(比能量208.04Wh/kg)、282.36Wh(比能量210.72Wh/kg)、282.88Wh(比能量211.10Wh/kg)，平均比能量为209.95Wh/kg。由此可见，由于三元电池的比容量和电压平台均高与磷酸铁锂电池，因而商业化三元电池的比能量高于磷酸铁锂电池。
图4 商业化磷酸铁锂电池和三元电池�？榈姆诺缜�
图4(a)和图4(b)所示分别为磷酸铁锂和三元电池�？榈�3次放电容量曲线，磷酸铁锂电池�？樵谠�16.25～15.50V间有平缓的放电电压平台，而三元电池模块的放电平台范围较宽，约在20.75～17V间，这与单体的放电曲线相对应的。记录磷酸铁锂的3次放电能量分别为1220.53Wh(比能量134.86Wh/kg)、1235.08Wh(比能量136.47Wh/kg)、1236.24Wh(比能量136.60Wh/kg)，平均比能量为135.97Wh/kg；而三元电池的三次放电能量分别为1477.82Wh(比能量220.57Wh/kg)、1481.72Wh(比能量221.15Wh/kg)、1482.85Wh(比能量221.32Wh/kg)，平均比能量为221.01Wh/kg。电池�？椴馐缘谋饶芰坑氲ヌ宀馐越峁嘟�。
图5 商业化磷酸铁锂电池和三元电池�？榈谋堵史诺缜�
磷酸铁锂电池�？榈姆诺绲缪蛊教ㄔ嘉�15.75～15V，三元电池�？榈姆诺绲缪蛊教ㄔ嘉�19.5V～16.5V，对比1C倍率下的放电曲线发现，3C倍率下的放电电压平台有所下降，这是因为在高倍率下极化现象加剧的原因所造成的。
三、结论
商业化动力磷酸铁锂电池的循环稳定性优于三元电池，其耐久性更为优异。商业化三元电池放电电压平台高，比容量高，三元电池单体和�？榈哪芰棵芏瘸�200Wh/kg，高于磷酸铁锂电池(约136Wh/kg)，因而可以为电动汽车提供较长的续航里程。磷酸铁锂电池和三元电池高倍率下都有较为优异的放电能力。电动汽车生产商基本是根据汽车的指标参数进行电池体系选型；而对于电动汽车买家而言，首先应了解电动汽车所用电池的体系是磷酸铁锂电池还是三元电池，从而根据按自己的实际需求进行车型选择。
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