如今，汽車行業(yè)正處于高速電氣化的過程中，汽車電池已經(jīng)成為電動汽車中非常重要的一部分，這在相當程度上影響并決定了汽車的成本、里程、價格、穩(wěn)定性和安全性。

因此，汽車電池的重要性超過了傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機。選擇哪種電池來確保電動汽車的良好性能已成為一個問題。三元鋰電池是電動汽車電池的主要電池材料之一。

本文將為您介紹三元鋰電池的概念、優(yōu)缺點，以及三元鋰鋰電池與磷酸鐵鋰電池的比較，以及三鋰電池的新產(chǎn)品：三元鐵鋰電池。

 

三元鋰電池的概念

三元鋰電池是一種鋰離子電池。鋰離子電池的一種分類方法是按正極材料分類。鋰電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。

通常，鋰電池的正極材料是鈷酸鋰，三元鋰電池是使用三元材料鎳鈷錳酸鋰作為正極材料的鋰電池。

還有使用鎳、鈷和鋁作為正極材料的三元鋰電池。鋰鎳鈷錳酸比鋰鈷酸便宜，目前的三元材料電池已經(jīng)取代了此前廣泛使用的鋰鈷錳電池。我們已經(jīng)總結(jié)了前十大三元材料制造商，您可以閱讀本文了解更多關(guān)于三元材料的信息。

 

 

三元鋰電池的優(yōu)勢

泰科倫定制鋰離子電池組制造商的輕型摩托車電池是三元鋰電池，鎳、鈷和錳三元材料分別具有以下優(yōu)勢。

Co3+：減少陽離子混合物的占據(jù)，穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，降低阻抗值，提高電導(dǎo)率，改善循環(huán)和效率性能。

Ni2+：可以提高材料的容量（提高材料的體積能量密度），并且由于Li和Ni的半徑相似，過多的Ni會與Li位錯并導(dǎo)致鋰和鎳混合。

鋰層中鎳離子的濃度越大，鋰在層狀結(jié)構(gòu)中越難分解，導(dǎo)致電化學(xué)性能較差。

 

 

Mn4+：它不僅可以降低材料成本，還可以提高材料的安全性和穩(wěn)定性。然而，高Mn含量將容易出現(xiàn)尖晶石相并破壞層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致容量降低和循環(huán)衰減。

高能量密度和良好的循環(huán)性能是三元鋰電池的最大優(yōu)勢，這也是電池的重要因素。電壓平臺決定電池的基本效率和成本，是電池能量密度的重要指標。

電壓平臺越高，比容量越大。因此，相同體積和重量，甚至相同安培小時的電池，三元鋰電池的電壓平臺越高，其壽命越長。

具體來看，單三元鋰電池的放電電壓平臺高達3.7V，磷酸鐵鋰為3.2V，鈦酸鋰僅為2.3V，因此從能量密度來看，三元鋰具有絕對優(yōu)勢，是一種綜合性能優(yōu)異的電池。

 

 

三元鋰電池的缺點

三元鋰電池的最大缺點是相對較低的安全性，并且在受到撞擊和溫度較高時，其燃點較低。如上所述，三元鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳鋰電池。

由于鎳鈷鋁在高溫下的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫下的安全性較差，pH值過高使單體膨脹，從而導(dǎo)致危險。

 

三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的比較

在電動汽車領(lǐng)域，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是兩種主流。它們的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，所以材料的財產(chǎn)也不同，導(dǎo)致性能上的差異。

三元鋰電池的優(yōu)點是能量密度高、低溫性能好、充放電密度高、電量估計準確，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢是成本低、安全穩(wěn)定。

 

 

能量密度

這是因為從材料本身的結(jié)構(gòu)來看，三元材料在相同數(shù)量的鋰離子下具有更低的分子量，因此其比容量高于鐵鋰，電池的能量密度也更高。

三元材料的晶體結(jié)構(gòu)是層狀的。在充放電過程中，Li+被嵌入到MO6的層間結(jié)構(gòu)中（Mn=Ni，Mn，Co）。隨著鎳含量的增加，脫嵌Li+增加，三元材料的理論容量和電池能量密度增加。

磷酸鐵鋰晶體呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀橄欖石結(jié)構(gòu)，形成一維Li+傳輸通道，限制了Li+的擴散。同時，八面體FeO6是共頂點連接的，導(dǎo)致電子遷移率比三元層狀結(jié)構(gòu)慢100-1000倍。

三元正極中的鋰離子可以在兩個不同的方向上移動，這使得電池比鋰鐵更強大，充電和放電能力更強。

 

安全性和穩(wěn)定性

然而，由于Ni2+（0.069nm）和Li+（0.076nm）的半徑彼此接近，高溫下隨著三元共聚物燒結(jié)材料中鎳含量的增加，Li和Ni混合的概率迅速增加，這使得Li+的脫intercalation困難，導(dǎo)致材料的比容量和循環(huán)財產(chǎn)降低，難以逆轉(zhuǎn)。

此外，隨著鎳含量的增加，材料中Ni3+的不穩(wěn)定比例增加，這傾向于與空氣中的水分和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，加劇了比容量和循環(huán)性能的損失。

相反，磷酸鐵鋰的P-O化學(xué)鍵相對穩(wěn)定，只有在溫度達到700-800攝氏度時才會分解。即使電池變形和損壞，氧分子也不會釋放，并會發(fā)生劇烈燃燒。因此，鋰鐵電池具有更好的穩(wěn)定性和安全性能。

 

 

溫度性能

此外，通過比較三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的性能差異，發(fā)現(xiàn)三元正極由于與鋰鐵的橄欖石結(jié)構(gòu)相比，其低溫性能也優(yōu)于鋰鐵。

在零下20℃下，三元鋰電池的釋放容量比鐵鋰電池高15pct。這種性能差異將使配備三元鋰電池的汽車在冬季擁有比鐵鋰電池更好的續(xù)航里程。

由于其更穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，鋰鐵材料在高溫下的安全性和穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢。同時，鐵鋰的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也帶來了比三元更高的第一效應(yīng)和循環(huán)壽命。

 

SOC曲線

此外，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能也因SOC曲線而不同。三元鋰電池的SOC曲線與其電壓水平有著相對線性的關(guān)系，而鋰鐵電池由于其長的充放電平臺和高原期后的電壓突變，其SOC曲線不能輕易通過其電壓變化來確定。

三元鋰電池的估計SOC在其實際值的1-2%以內(nèi)，而鐵鋰電池的預(yù)計SOC可能在其實際價值的10%左右。車主經(jīng)常想知道汽車電池在行駛時會持續(xù)多長時間（點擊鏈接了解如何計算），由于SOC曲線的差異，三元鋰電池的汽車更能計算和顯示剩余續(xù)航里程，而鐵鋰電池車型的汽車則容易出現(xiàn)續(xù)航里程顯示系數(shù)突然下降的情況，從而帶來所有者使用體驗的差異。

 

 

成本優(yōu)勢

在相同體積下，三元鋰電池總是表現(xiàn)出更好的能量密度，即相同體積和質(zhì)量，使用三元鋰蓄電池可以跑得更遠。然而，在三元（鎳、鈷、錳（鋁））材料中，鎳的比例正在增加。

電池的能量密度確實進一步提高，但壽命、過熱甚至安全問題再次出現(xiàn)。更不用說稀有金屬的使用，導(dǎo)致三元鋰電池一直承受著高昂的成本壓力。

同時，鐵鋰材料與三元材料中更稀缺的鎳、鈷和錳相比，具有明顯的價格和成本優(yōu)勢，因為其成分主要是廉價的鐵和磷。

因此，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點是互補的。磷酸鐵鋰的最大優(yōu)點是高安全性和低成本。理論上，磷酸鐵鋰電池可以承受大約三元鋰電池兩倍的溫度，并且在分解狀態(tài)下不會釋放氧氣，自燃風(fēng)險低。

 

 

再加上更多的充電周期，且不含稀有金屬鈷，因此具有較大的成本優(yōu)勢。當然，磷酸鐵鋰的缺點是能量密度低、低溫衰減嚴重、剩余功率估計誤差大等。

 

三元鋰電池新產(chǎn)品：三元鐵鋰電池

從理論上講，如果三元鋰和磷酸鐵鋰電池按一定比例串聯(lián)在一起，就可以得到各方面相對均衡的電池。而串聯(lián)后，由于電池系統(tǒng)具有更好的鐵鋰電池的耐熱性，如果熱失控，鐵鋰電池也可以在一定程度上阻斷熱傳導(dǎo)。

然而，尚未生產(chǎn)出此類系列產(chǎn)品，這意味著這種理論上可行的解決方案在實踐中遇到了巨大且無法解決的問題。

盡管如此，最近，蔚來推出了三元鐵鋰電池組，這意味著理論和實際困難已經(jīng)解決，產(chǎn)品可以實際量產(chǎn)。

 

事實上，磷酸鐵鋰和三元鋰電池材料在系列電池組中的特點，可以避免相當一部分新能源汽車目前使用的痛點。蔚來的計劃就是這樣。新的三元鋰鐵電池組的電池容量為75kWh，取代了之前的70kWh三元鋰電池組。

新電池組的能量密度增加了14%，達到142Wh/kg，但重量只增加了約15kg。根據(jù)官方數(shù)據(jù)，與之前的70kWh三元鋰電池組相比，搭載新電池組的蔚來車型的里程將增加30公里以上。