車用三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池對比分析

張長煦，倪子瀟

摘 要：以2019年新能源汽車補貼政策以及2019年上半年動力電池裝機量情況為導向，通過分析相關試驗數據，對比三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池。結果表明，三元鋰電池具有較高的能量密度，適用于乘用車等對續航里程要求高的車型;磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性、循環壽命和快速充電性能，適用于營運車輛，如城市公交和出租車。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;三元鋰電池;磷酸鐵鋰電池;對比分析

中圖分類號：U473 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-28-03

Comparative analysis of ternary lithium battery and LiFePO4 battery

Zhang Changxu， Ni Zixiao

（ School of Automobile， Changan University， Shaanxi Xian 710064 ）

Abstract： Based on the 2019 new energy vehicle subsidy policy and the power battery installed capacity in the first half of 2019， two types of power batteries： ternary lithium Battery and LiFePO4 Battery are compared by analyzing relevant ?test data. The results show that the ternary lithium Battery has high energy density and is suitable for vehicles with high cruising range such as passenger cars; LiFePO4 Battery has high safety， cycle life and fast charging performance， suitable for operating vehicles such as city buses and taxis.

Keywords： New energy vehicles; Power battery; Ternary lithium battery; LiFePO4 battery; Comparative analysis

CLC NO.： U473 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-28-03

前言

2019年3月26日，財政部聯合四部委下發《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》（下稱《通知》），明確了本年度的補貼政策。與2018年相比，繼續以續駛里程作為補貼標準，但簡化為兩檔，補貼金額也大幅度下降，呈現出明顯的退坡趨勢。《通知》在新能源乘用車技術要求中規定，動力電池系統的質量能量密度不應低于125Wh/ kg，與2018年的105Wh/kg相比也有了不小的提升。《通知》從2015年的普惠政策轉向2019年的“扶優扶強”方針，旨在為企業提供更加寬松的政策環境，進一步鼓勵發展以動力電池為主的行業核心技術，確保2020年補貼全面退出，實現新能源汽車的“單輪驅動”。

2019年上半年，國內市場新能源汽車產銷量繼續增長，動力電池裝機量持續上升，從電池類型來看，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池幾乎占據整個市場，其中三元鋰電池占比最大，達到67.37%，其次是磷酸鐵鋰電池[1]。

由此可見，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是目前兩種主流動力電池。這兩者雖同屬于鋰離子電池，但在性能方面仍存在諸多不同，國內目前針對這兩種電池的對比研究很多，但絕大多數僅局限于電池性能本身，未將其與車輛相關性能結合，存在化學、材料與車輛的學科交叉不相容性。本文通過對比分析兩種電池的性能差異，旨在確定其各自所適用的車型，為主機廠提供相關參考。

1 主流動力電池簡介

鋰離子電池（Li-ion Batteries）是一種由二次鋰電池發展而來的新型電池[2]，其負極材料較為固定，商業化的只有石墨和鈦酸鋰（Li2TiO3，LTO），其中石墨應用最廣泛，具有成本低、循環壽命長、電勢低且穩定的特點。正極材料主要有磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、鎳鈷鋁（NCA）和鎳鈷錳三元（NCM）幾種，目前作為電動汽車動力電池常用的有NCM和LFP兩種，前者具有較高的能量密度，后者則擁有較好的安全性。

在經過鉛酸蓄電池、鎳氫電池等嘗試后，如今電動汽車動力源以鋰離子電池為主，其中就包括三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。

2 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池性能對比

本次研究受實驗條件限制，部分試驗數據來源于參考文獻[3][4]。

2.1 倍率放電性能

電動汽車在不同工況下對動力電池的需求不同，這便使得其必須具有在不同倍率下的放電能力。放電性能直接關系到整車動力性，因此對電池倍率放電特性的研究尤為重要。本文選取四種放電倍率（電流）：、1C、1.5C、2C進行研究。

試驗結果表明，相比于三元電池，磷酸鐵鋰電池存在明顯的放電平臺，且隨著放電倍率的增大，平臺的電壓值減小。在放電過程中，由于放電平臺的存在，磷酸鐵鋰電池在放出一定電量后兩端電壓變化劇烈，而三元電池兩端電壓的下降則較為平緩。除此之外，三元電池的放電平臺和比容量均高于磷酸鐵鋰電池，故可得出重要結論，即三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰電池。

2.2 倍率充電性能

電動汽車充電時間較長是目前制約其發展的一大原因，追根溯源其與動力電池的充電性能息息相關。故本文對不同倍率的充電性能進行研究，選取三種倍率（電流）：、1C，充電至電池所對應的電壓上限后轉為恒壓充電，直至截至電流，充電過程結束后，靜置電池1h。

試驗結果表明，兩種電池在三種不同充電倍率下的電量基本相同，隨著充電倍率（電流）的增大，恒流充電階段占總時間和總充電容量的比重有所下降。在1C充電倍率時，磷酸鐵鋰電池充電時間為1.4h，遠低于三元電池的2.3h，說明前者具有較好的快速充電特性，三元材料則相對較弱。

2.3 循環壽命測試

根據GB/Z18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》以及國際電工委員會（IEC）制訂的相關標準，設計鋰離子電池循環壽命的測定方法。為縮短試驗測定時間，在實際過程中常采用快速檢測法，即以某一大電流恒流充電至電壓上限，轉用恒壓充電，直至電流降至定值停止充電;擱置10～30min;以相同電流放電至終止條件;擱置10～30min;重復上述過程，連續循環一定次數或電池容量衰減到一定程度。

試驗結果表明，經過相同循環次數的充放電測試后，磷酸鐵鋰電池的容量保持率高于三元電池，即說明磷酸鐵鋰電池的循環穩定性更佳，相應的使用壽命也就越長。

2.4 高低溫放電特性

鋰離子電池外特性對環境條件較為敏感，尤其易受環境溫度影響，低溫條件下續航里程容易大幅下降。本文對比磷酸鐵鋰電池[5]和三元鋰電池[6]的高低溫放電特性，分析兩者在-20℃、20℃、65℃下的放電性能。

實驗結果表明，兩種電池放電特性受溫度影響基本一致。在相同放電倍率下，環境溫度越低，電池的放電容量（時間）越小，電池平臺電壓越低，開始放電時電壓下降的也就越多，這就使得電池的平均電壓降低。相比于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在低溫環境下的放電表現相對穩定，具有更高的放電容量和能量保持率;但磷酸鐵鋰電池在高溫下卻顯得更為可靠，放電容量和能量保持率超負荷較少，安全性相對較好。所以兩者在高低溫放熱表現上各有利弊。

2.5 荷電保持能力

電動汽車要求動力電池能夠在充電后擱置較長一段時間內電量維持在較高的水平，故電池的荷電保持能力也是衡量電池性能的重要指標之一。

對磷酸鐵鋰和三元材料電池分別進行常溫和高溫的荷電保持能力測試，常溫的測試方法為在常溫（20℃）下保持30天，高溫的測試方法為在55℃環境溫度下保持7天，之后使用0.3C倍率的電流放電。

實驗結果表明，磷酸鐵鋰電池在常溫下的荷電保持能力要略好于三元材料的電池;但在高溫下，三元材料電池的荷電保持能力要更優于前者。綜合來看，兩種材料的電池的常溫、高溫荷電保持能力均高于95%，說明其自放電率低，均滿足電動車的使用要求。

3 結論

綜合以上分析可得，三元電池放電平臺電壓顯著高于磷酸鐵鋰電池，使車輛具有較強的動力性，即大電流放電能力，并且放電平臺的存在可延長放電時間，所以適用于對加速性、爬坡性要求較高的車型，例如越野車、運動型轎車。從能量密度來看，三元電池更優，故適用于城市公交，可在停站期間進行短時間大電流充電，滿足站距之間的能量需求即可;三元電池還可用于中、重型貨車，滿足較長時間的運行需求。在快充性能上磷酸鐵鋰電池更好，故其可用于城市公交、出租車一類的營運車輛上，在駕駛員休息間隙可進行快充，保證運行時間;三元電池可用于家用乘用車，即保證日間通勤期間的需求，夜晚可進行充電。磷酸鐵鋰電池循環壽命優于三元電池，故其可用于使用頻率較多的車輛，例如城市公交、出租車等營運車輛，可保證電池使用周期，避免更換電池帶來的高昂成本。從高低溫的放電特性來看，三元鋰電池在低溫下的放電表現更為穩定，更適合在低溫環境下工作，故三元鋰電池更適合特種作業的專用車，而磷酸鐵鋁電池的適用范圍相對較窄，在諸如東北地區的低溫條件下使用會發生故障。兩種電池的荷電保持能力都較高，在長期靜置后仍然能夠保證較高的續航里程需求，在適用車輛上并無較大區分。

參考文獻

[1] 上半年動力電池裝機量增長翻倍10家企業瓜分9成市場.高工鋰電網，2019.

[2] 麻友良，嚴運兵.電動汽車概論[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3] 吳文迪.磷酸鐵鋰電池和三元材料電池在試驗過程中的不同特性[A].河南省汽車工程學會.第十一屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].河南省汽車工程學會：河南省汽車工程學會，2014：3.

[4] 張躍強，田君，高洪波，陳芬，高申.商業化磷酸鐵鋰與三元動力鋰離子電池性能對比分析[J].電子世界，2019（07）：37-39+41.

[5] 謝金紅，吳小蘭.電動汽車鋰離子電池溫度性能研究[J].輕工科技， 2018，34（08）：75-76.

[6] 楊瑩瑩，魏學哲，劉耀鋒.車用鋰離子電池低溫性能研究[J].機電一體化，2016，22（06）：30-35+46.