产品分类
联系我们

销售直拨
     025-85550202;
     025-85550520;
     025-84311092

master@csch.com.cn

技术咨询:
     025-85550520

cto@csch.com.cn

售后服务热线:

     13814544738    

wu_yuyang@csch.com.cn

传 真:025-85550303


深圳市中霍电子技术有限公司
地址:深圳市龙华新区龙华街道牛地埔村美满圆小区
联系人:颜安军/副总
Mobile:18038070895
E-mail: szyanaj@csch.com.cn  
 

新能源汽车电池技术演变方向-三元锂电池(一)

锂离子电池的用途十分广泛,因为特有的性能优势,已经在电子时代得到普遍应用,比如说笔记本电脑、相机、手机等等。新能源汽车产业的出现,更是大大推动了锂电池的发展,为锂电池的应用打开了广阔的前景。

一、汽车锂电池的构成与分类

如果把汽车锂电池看做是一道菜的话,那么完成这道菜就需要一些食材和配料,这些食材配料就是正极材料、负极材料、电解液、隔离材料和电池管理系统等。

根据外形、外包材料、电解液,锂电池可以被划分成很多类别。在这里,为了讨论近年来锂电池技术的演变趋势,我们主要根据正极材料的不同,来讨论汽车动力电池的两种主流产品:磷酸铁锂电池和三元锂电池。

二、磷酸铁锂电池和三元锂电池的对比

两种电池都使用锂元素,循环寿命也可以放心使用。但其正负极材料和电池管理系统却有所不同,性能上的特点也大有差异。

所谓磷酸铁锂电池,就是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。这一类电池的特点是不含贵重金属元素(比如钴等)。由于不含有贵重金属材料,磷酸铁锂电池的原材料成本就可以被压缩的非常低廉。

在实际使用中,磷酸铁锂电池具有耐高温,安全稳定性强,价格便宜,循环性能更好的优势。例如比亚迪,就专精这类电池。市面上还有一种叫做A123的锂电池,这种电池实际上也是磷酸铁锂电池的一种。它主要在制造工艺上采用了纳米工艺等,增加了电池充放电能力。我国万向集团就收购了A123公司,进而收购了赖以该电池为动力基础的菲斯克(Fisker)汽车公司。

而三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料,石墨作为负极材料的锂电池。与磷酸铁锂不同,三元锂电池电压平台很高,这也就意味着在相同的体积或是重量下,三元锂电池的比能量、比功率更大。除此之外,在大倍率充电、和耐低温性能等方面,三元锂电池也有很大的优势。特斯拉的Model S采用的松下18650组成的电池组就是三元锂电池,单个这种电池比平常的5号电池要大一些。

1.能量密度与续航里程对比

相较于磷酸铁锂电池,三元锂电池的能量密度大,电压更高,所以同样重量的电池组电池容量更大,车子跑的距离也就更远,速度也能更快。特斯拉Model S充满电的续航里程为400多公里。北汽EV200采用了来自韩国SK生产的三元锂电池,理论巡航里程达到200km,而它的前辈车型EV150则采用了磷酸铁锂电池,续航里程仅为150km。

根据国内三元材料18650圆柱电池龙头企业——比克电池提供的资料,其18650电池的能量密度已经达到了232Wh/kg,后续将会进一步提高至293Wh/kg。而相比之下,目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150Wh/kg左右。据国内电池行业专家剖析,未来几年之内,磷酸铁锂电池的能量密度能够达到300Wh/kg的希望非常渺茫。

2.空间占用对比

对于体积庞大的电动巴士而言,空间占用影响较小。但对于家用电动汽车来说,空间占用就显得比较重要了。能量密度较低的磷酸铁锂电池将会占据原本就不多的汽车空间,并且由于更大的重量,在使用时的放电续航也会受到比较大的影响。相对而言,能量密度较高的三元锂电池在解决重量问题的同时也为家庭用车节省出了空间。

3.低温放电性能对比

三元电池和磷酸铁锂电池的在不同温度下的放电性能如下图所示。(“相对25℃容量”是指不同温度条件下放电容量与25℃时放电容量的比值。该数值能够准确反映出电池在不同温度条件下续航的衰减,越接近100%,电池表现越好。)


从图中能够看出,以25℃为基准常温,两类电池在55℃高温下放电与常温25℃下放电,放电容量几乎没有差别。但在零下20℃时,三元锂电池与磷酸铁锂电池相比有比较明显的优势。

我国幅员辽阔,气候复杂,从最北端的东北三省到最南端的海南诸岛温度变化非常丰富。以北京为例,作为电动汽车的主力市场,北京夏季最高温度在40℃左右,而冬季则基本保持在零下6℃左右,甚至更低。这样的温度区间显然适合低温性能更佳的三元锂电池。而注重耐高温性能的磷酸铁锂电池在北京的冬季会显得有些乏力。

4.充电效率对比

除了续航之外,充电也是电动汽车在实际使用中的重要环节,而三元锂电池在充电效率方面较磷酸铁锂电池有着非常大的优势。


目前市面上较为常见的充电方式为恒流恒压式充电。一般在充电开始时先采用恒流充电,此时的电流较大,充电效率相对更高。而在电压达到一定数值之后,降低电流改为恒压充电,这样可以让电池充的比较满一些。在这个过程中,恒流充电容量与电池总容量的比值,称为恒流比。它是衡量一组电池在充电过程中充电效率的关键数值。通常百分比越大说明在恒流阶段充入的电量越高,也就证明该电池的充电效率更高。

从表中可以看出,三元锂电池与磷酸铁锂电池在100以下Ah充电时,恒流比无明显差距,100以上Ah充电时,磷酸铁锂电池恒流比例迅速降低,充电效率迅速降低。

5.成本对比

(1)研发成本

虽然三元锂电池的理论寿命是2000次充放电循环,但在实际使用中,当进行900次的充放电循环后,电池容量就基本衰减到了55%。也就是说充满电只能跑原来里程的一半。但如果每次电池充放电都控制在0%-50%或者25%-75%的循环中工作,不榨光电池的精力,即使经过3000次的充放电循环,电池容量基本还能能够保持在70%左右。所以这需要非常优秀的电池管理系统,也是特斯拉对自己的电池管理系统非常自豪的原因所在。

而磷酸铁锂电池不依赖电池管理系统,研发成本低。磷酸铁锂电池即便是经过3000次0-100%的充放电使用,容量也才会衰减到80%,所以磷酸铁锂电池的电池管理系统就没那么复杂,也就进一步降低了整车研发成本。2015年,比亚迪纯电动大巴车采用的就是磷酸铁锂电池驱动的。

(2)原料成本

相较于磷酸铁锂电池而言,三元电池需要用到更多的贵金属,最主要的就在于钴矿石。其实咱们国家的锂矿、氧化铁磷酸盐储量丰富,制造磷酸铁锂电池有优势。而我国缺乏钴矿,制造必须采用钴元素的三元锂电池会有些困难。所以,我国许多车企(包括电池企业)在早期阶段,发展磷酸铁锂电池是很现实的。比如2015年国内主流的电池厂商生产的都是磷酸铁锂电池。当时,市面上采用三元锂电池的电动车,动力电池基本都是国外品牌产品(日本松下,韩国SK等),价格也相应要比采用磷酸铁锂电池的车型(同级别)贵一些。

6.安全性对比

三元锂材料会在200度左右发生分解。并且化学反应更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液迅速燃烧,更会发生连锁反应。而磷酸铁锂在700-800度时才会发生分解,不会像三元锂材料一样释放氧分子,燃烧没那么剧烈。

说简单点,就是三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。所以一般18650电池都会有一层钢壳保护。特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成,虽然进行了全方位的保护,但是在极端的碰撞事故中,起火隐患还是有的。

磷酸铁锂电池则要稳定许多,电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧,遭到350℃的高温也不会起火(三元锂电池在200℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸铁锂电池略胜一筹。

7.循环寿命对比

对于家庭用车来说,三元材料和磷酸铁锂动力电池的额定循环寿命都远远超过了实际用户的使用习惯,因此在使用寿命上可以完全放心。以比克电池目前的高容量18650电池为例,在充放电循环1000次之后,电池容量依然能够保持在最初的90%以上。假设新能源汽车平均2-4天一充电,取中间值平均3天一充电来计算,使用1年需要充大约120次电,循环寿命1000次使用完毕大约需要8年时间,这也基本超过了目前我国消费者平均的换车周期。