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磷酸铁锂离子电池与三元动力锂离子电池性能比较分析

2021-05-10   点击量:26

目前国内的主流动力锂离子电池,根据正极材料的不同,分为磷酸铁锂离子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,国内外有关电动汽车燃烧、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离子电池。


一、实验过程


本文根据GB/T31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》和GB/T31486-2015《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,以及模块(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。磷酸铁锂离子电池单体质量1.81kg,模块质量9.05kg;三元电池单体质量1.34kg,模块质量6.70kg。


图1商业化磷酸铁锂离子电池(a)单体和(b)模块;商业化三元电池(a)单体和(b)模块


1.1电池单体性能测试


磷酸铁锂离子电池单体充电电压上限为3.8V,放电终止电压为2V;磷酸铁锂离子电池模块充电电压上限为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;三元电池模块充电电压上限为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)持续循环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,当持续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电池模块性能测试


1.2.1模块室温放电容量测试


a)电池模块(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,当持续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)电池模块以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,蓄电池模块以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


商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池单体的循环寿命测试结果如图2所示。磷酸铁锂离子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商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池单体的循环寿命测试结果


由此可见,磷酸铁锂离子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加有优势,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离子电池,后续的放电容量测试将对此进行具体的验证。


商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池单体的放电容量测试所得放电容量曲线如图3所示。磷酸铁锂离子电池3次循环的放电容量分别为78.56、78.73和78.79Ah(比容量分别为43.40、43.50、43.53Ah/kg),根据标准规定,取其平均值78.69Ah(比容量43.48Ah/kg)作为放电容量。三元电池3次循环的放电容量分别为76.98、77.78和77.89Ah(比容量分别为57.38、58.04、58.13Ah/kg),取其平均值77.55Ah(比容量57.87Ah/kg)作为放电容量。


图3商业化磷酸铁锂离子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,磷酸铁锂离子电池在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离子电池,因而商业化三元电池的比能量高于磷酸铁锂离子电池。


对商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池模块(均为5支单体串联)的放电容量测试,所得放电容量曲线如图4所示。磷酸铁锂离子电池模块3次循环的放电容量分别为76.91Ah、77.72Ah和77.88Ah,根据标准规定,取其平均值77.47Ah作为放电容量;而三元电池模块3次循环的放电容量分别为80.80Ah、80.97Ah和81.02Ah,取其平均值80.93Ah作为所测放电容量。


图4商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池模块的放电曲线


图4(a)和图4(b)所示分别为磷酸铁锂和三元电池模块的3次放电容量曲线,磷酸铁锂离子电池模块在约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。电池模块测试的比能量与单体测试结果相近。


商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池模块的倍率放电曲线如图5所示,为充满电的电池模块在3C倍率(225A)下放电的曲线。磷酸铁锂离子电池模块的放电容量为76.19Ah,为初始容量(模块放电容量测试结果)的98.3%;三元电池的放电容量为80.14Ah,是初始容量的99.2%,这说明商业化磷酸铁锂和三元电池在3C高倍率下的放电能力与1C倍率(1I1电流)下无显著差别。


图5商业化磷酸铁锂离子电池和三元电池模块的倍率放电曲线


磷酸铁锂离子电池模块的放电电压平台约为15.75~15V,三元电池模块的放电电压平台约为19.5V~16.5V,比较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离子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,三元电池单体和模块的能量密度超过200Wh/kg,高于磷酸铁锂离子电池(约136Wh/kg),因而可以为电动汽车供应较长的续航里程。磷酸铁锂离子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;而有关电动汽车买家而言,首先应了解电动汽车所用电池的体系是磷酸铁锂离子电池还是三元电池,从而根据按自己的实际需求进行车型选择。


钜大特种电池工程研究院

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