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磷酸铁锂和三元锂电池哪个好?各项试验数据对比

时间:2016-1-7 1:04:35来源:天津力神浏览次数:
摘要:利用相同的电池结构,分别选用三元材料与磷酸铁锂材料制作电池,进行不同条件下放电、充电及循环测试,三元材料在充电倍率、放电倍率、不同温度放电性能上具有优势,而磷酸铁锂材料在循环性能上更优,1 C 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量。
关键词:锂离子电池;三元材料;磷酸铁锂
 
  锂离子电池经过30年的发展,比能量、比功率等性能有较大的提高,已成功应用于汽车上。受电池比能量限制,纯电动汽车续航里程有限,是制约发展的瓶颈,国外汽车厂近期规划以开发混合动力汽车为主。目前应用于锂离子电池的正极材料主要有锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料等材料,目前使用的功率型电池正极主要选用磷酸铁锂和三元两种材料。本文采用相同的电池壳盖、负极材料及内部结构设计,分别制作磷酸铁锂和三元两种正极材料的电池,比较两种电池的比能量、比功率、循环、高低温特性等性能,对比分析两种电池性能差异。
 

1 实验

1.1 实验材料选择

  正极材料磷酸铁锂和镍钴锰配比为1∶1∶1 的三元材料,负极选用MCMB,电解液选用EC、PC、EMC 和DEC 组成的混合溶剂,电解质为LiPF6 作为锂盐,隔膜选用单层PP25 μm。

1.2 多孔膜电极与复合薄膜电极的制备

  采用方形铝壳LP2770102 电池的壳、盖及内部相同的多极耳卷绕结构,按照电池制作工艺分别制作正极材料为磷酸铁锂和三元材料的两种电池。得到磷酸铁锂电池平均容量、内阻、质量分别为7.2 Ah、1.06 mΩ、361 g;三元材料平均电池8.6 Ah、1.12 mΩ、360 g。

1.3 分析与测试

  测试条件为:三元材料电池充放电电压控制范围为2.5~4.2 V,1 C =7.5 A,磷酸铁锂材料电池充放电电压控制范围为2.0~3.65 V,1 C =6.5 Ah,无特殊说明测试温度为(25±2)℃。
 

2 结果与讨论

2.1 放电性能测试

  从图1 与表1 可得出,相同体积电池,正极使用三元材料比使用磷酸铁锂材料放电容量高19.4%,比能量高37.5%,放电比功率高39.7%。由于三元材料质量比容量、压实密度均高于磷酸铁锂材料,所以使用三元材料电池放电有较大优势。

(a)三元材料电池放电曲线

(b)磷酸铁锂电池放电曲线

图1  倍率放电曲线

表1 电池放电数据

2.2 充电性能比较

  从图2 和表2 可见,三元材料电池与磷酸铁锂材料电池在不大于10 C 充电时,恒流充电容量/ 总容量比例无明显差距,10 C 以上倍率充电时,磷酸铁锂电池恒流充电容量/ 总容量比例较小,充电倍率越大,恒流充电容量/ 总容量比例与三元材料电池差距越明显,这主要与磷酸铁锂在30%~80%SOC 是电压变化较小有关,如负极使用软碳或硬碳,磷酸铁锂电池大倍率充电性能够达到三元电池的水平。
(a)三元材料电池充电曲线
(b)磷酸铁锂电池充电曲线
图2 倍率充电曲线
 
表2 电池的充电数据

2.3 循环性能比较

  图3 中三元材料电池循环3 900 次剩余容量66%,磷酸铁锂电池循环5 000 次剩余容量84%,循环寿命比三元材料电池,磷酸铁锂电池优势明显。按照剩余容量/ 初始容量=80%作为测试结束点,目前三元材料电池实验室1 C 循环寿命在2 500 次左右,磷酸铁锂电池实验室1 C 循环寿命在3 500 次以上,部分达到5 000 次以上。
图三 电池循环曲线

2.4 不同温度放电测试

  不同温度电池的放电比较如图4 所示。在55 ℃条件下放电,三元材料电池与磷酸铁锂在常温下比较,放电容量都没有差别,-20 ℃条件下放电,三元材料电池放电容量/ 常温容量比例比磷酸铁锂电池高15%,如表3 所示。
(a)三元材料电池不同温度放电曲线
(b)磷酸铁锂电池不同温度放电曲线
图4 电池的放电曲线
 
表3 电池的放电数据
 

3 结论

  本文通过制作相同结构的电池,得出三元材料与磷酸铁锂材料在HEV 电池应用优缺点,三元材料在电池比能量、比功率、大倍率充电、低温性能等方面有优势,循环性能方面则是磷酸铁锂材料优势明显,在安全方面磷酸铁锂电池也优于三元材料。在选用电池时可根据不同用途选择,如大巴车空间较大,对电池比能量和比功率要求相对较低,可选择磷酸铁锂材料电池,发挥其循环性能好的特性,轿车空间有限,电池用量小,则选用高比能量与高比功率三元材料电池更为合适。

 

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