磷酸铁锂与三元动力锂离子电池性能对比分析

磷酸铁锂与三元动力锂离子电池性能对比分析

磷酸铁锂（LFP）和三元材料（NCM）是目前主流的动力电池正极材料。两种材料各有优劣：LFP材料结构稳定、热稳定性好、循环性能和安全性更优；而NCM材料能量密度更高，但循环性能和安全性较差。本文通过实验测试，对两种电池的性能进行了详细对比分析。

实验过程

本文测试了75Ah磷酸铁锂和三元NCM622电池的单电池循环寿命、室温放电容量和室温放电容量，以及模块（5个串联电池）的室温放电容量、室温倍率性能，按照GB/T 31484-2015《电动汽车动力电池循环寿命要求和试验方法》和GB/T 31486-2015《电动汽车用动力电池电气性能要求和试验办法》的相关试验规定。电池单元和模块的照片如图1所示。磷酸铁锂电池单体重量1.81kg，模块重量9.05kg；三元电池的单个重量为1.34公斤，模块重量为6.70公斤。

图1 商用磷酸铁锂电池（a）单体和（b）模块；商用三元电池（a）单体和（b）模块

1.1 电池组电池的性能测试

磷酸铁锂电池的充电电压上限为3.8V，放电终止电压为2V；磷酸铁锂电池模块的充电电压上限为19V。三元电池的充电电压上限为4.2V，放电终止电压为3.0V；三元电池模块的充电电压上限为21.5V。

1.1.1 单循环寿命试验

a） 以1I1（I1=75A）放电至端接电压；
b） 放置30分钟；
c） 用1I1的恒定电流充电，直到达到电压极限，然后切换到恒压充电。当充电电流降至0.05I1时，停止充电；
d） 放置30分钟；
e） 记录1I1放电终止条件下的放电容量；
f） 根据b）至e），连续循环500次。

1.1.2 单电池室温放电电容测试

a） 用1I1的恒定电流充电，直到达到电压极限，然后切换到恒压充电。当充电电流降至0.05I1时停止充电，静置1小时；
b） 在室温下，电池以1I1的电流放电，直到达到端接电压；
c） 测量放电容量并记录放电比能量；
d） 重复步骤a）至c）5次。如果连续三次测试的结果范围小于额定容量的3%，则可以提前终止测试，并取最后三次测试结果的平均值。

1.2 电池模块性能测试

1.2.1 模块室温放电容量测试

a） 蓄电池模块（5个串联的单体电池）在1I1的恒定电压下充电，直到达到电压极限。当充电电流降至0.05I1时，充电停止。如果在充电过程中任何单个电池的电压超过终止电压0.1V，则充电停止。充电后，静置1小时；
b） 在室温下，电池以1I1的电流放电，直到任何单个电池的电压达到放电终止电压；
c） 测量放电容量和放电比能；
d） 重复步骤a）至c）5次。如果连续三次测试的结果范围小于额定容量的3%，则可以提前终止测试，并取最后三次测试结果的平均值。

1.2.2 模块室温速率放电性能测试

a） 蓄电池模块以1I1的速率充电，直到达到电压极限，然后切换到恒压充电。当充电电流降至0.05I1时，充电停止。如果在充电过程中单个电池的电压超过终止电压0.1V，则充电停止。充电后，将其闲置1小时；
b） 在室温下，电池模块以3I1的电流放电，直到任何单个电池电压达到放电终止电压；
c） 测量放电容量。

结果和讨论

商用磷酸铁锂电池和三元电池单体的循环寿命测试结果如图2所示。磷酸铁锂电池的第一周放电容量为77.80Ah（质比容量42.98Ah/kg），500次循环后放电容量为72.01Ah（质量比容量39.78Ah/kg）、容量保持率为92.56%，放电容量为70.69Ah（质量比容量52.75Ah/kg），容量保持率为90.84%。

由此可见，磷酸铁锂电池的循环稳定性高于三元电池，三元电池在比容量和额定电压方面比磷酸铁锂更有优势。因此，可以预见，三元电池的能量密度高于磷酸铁锂电池，后续的放电容量测试将具体验证这一点。

从商用磷酸铁锂电池和三元电池的放电容量测试中获得的放电容量曲线如图3所示。磷酸铁锂电池三次循环的放电容量分别为78.56Ah、78.73Ah和78.79Ah（比容量分别为43.40Ah、43.50Ah和43.53Ah/kg）。根据标准，放电容量取平均值78.69Ah（比容量43.48Ah/kg）。