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三元锂电池是什么电池?

2022-11-24 00:20:52 1569

摘要:从汽车这个工业产品角度看,决定动力电池的维度又要多好几个,比如安全性、能量密度、单体标称电压、使用寿命、应用成本、低温衰减能力等等,在这方面国际与国内都有严格的标准,能够上市销售的车型肯定首先要达标。相信很多关注电动汽车的朋友对于三元锂电池...

从汽车这个工业产品角度看,决定动力电池的维度又要多好几个,比如安全性、能量密度、单体标称电压、使用寿命、应用成本、低温衰减能力等等,在这方面国际与国内都有严格的标准,能够上市销售的车型肯定首先要达标。


相信很多关注电动汽车的朋友对于三元锂电池不会陌生,大名鼎鼎的TSL采用的就是这种电池。而国内的电池巨头BYD在过去很长一段时间内一直采用的是磷酸铁锂电池,在今年下半年则宣布也将重点发展三元锂电池。那么,到底什么是三元锂电池?它为什么会突然成为动力电池的宠儿呢?


三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料的锂电池,三元复合正极材料前驱体产品,是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。


安全性是重中之重

三元锂电池的特点是能量密度大,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。但是其弱点在于稳点性较差,如果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,由于TSL的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成,所以,虽然TSL给电池组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。


之所以这样,原因是两种材料在到达一定温度时发生分解,三元锂材料会在更低的200度左右发生分解,而磷酸铁锂材料是在800度左右。并且三元锂材料的化学反映更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液迅速燃烧,发生连锁反应。说简单点,就是三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。不过需要注意的是,我们提到的是材料,而不是已经成为成品的电池。


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180-250℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸铁锂电池略胜一筹。

正因为三元锂材料有这样的安全隐患,所以厂商也在努力往抑制产生事故的方向走。根据三元锂材料容易热解的特性,厂商在过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)这几个环节上都会下不少的功夫。TSL之所以对于安全性有信心,就是因为它有一整套电池管理系统,能够将活性更高的三元锂电池管理地更好。当然,伴随着越来越多的电池企业、车企还有专业的电池管理企业在这个领域的不断研发,更多的企业也能做到优秀的电池管理,将安全性大大提升。


能量密度是核心要素

能量密度(Energy density)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。


BYD磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh/kg,BYD三元锂电池能量密度则达到了200Wh/kg。可以看出,三元锂材料比磷酸铁锂的优势还是很明显的。深圳另外一家电池企业比克电池的三元材料动力电池单体电芯能量密度近220Wh/kg,在行业内算是比较高的。


在这里,不得不说政策对于行业的指导性也是非常明确。2017年3月1日,中央四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知,明确指出了“将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一”。

以下三点为重点:

1.到2020年,锂离子动力电池单体比能量大于300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本小于1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力。

2.到2025年,单体比能量达500Wh/kg。

3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。


事实上,正是由于这个发展方向,三元锂电池的春天才算是真正到来,因为磷酸铁锂在单体能量密度上可以突破的空间不大,而三元锂电池的潜力则还未充分挖掘出来。

关于电池寿命的问题

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,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。但这同样需要优秀的电池管理系统


磷酸铁锂电池循环寿命也在2000次以上,标准充电(5小时率)使用,可达到2000次的循环性。不过,磷酸铁锂电池有一个致命的缺点,那就是低温性能较差,即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。研究表明,一块容量为3500mAh的电池,如果在-10℃的环境中工作,经过不到100次的充放电循环,电量将急剧衰减至500mAh,基本就报废了。所以在北方,这种电池的工况实在是让人担忧的。


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