镍镉电池充电电压 磷酸铁锂电池:优缺点分析及广泛应用领域
2024-08-27 08:08:30发布 浏览91次 信息编号:84153
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镍镉电池充电电压 磷酸铁锂电池:优缺点分析及广泛应用领域
我们平时谈论最多的动力电池就是磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)。
以上几种电池各有优缺点,大致可以概括为以下几点:
磷酸铁锂电池:是指采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。
优点:寿命长、充放电倍率高,电池1小时即可充满电、容量大、无记忆效应、安全性好、耐高温性能好、无害元素环保、成本低。重量轻
缺点:能量密度低,振实密度(体积密度)低。
应用
由于磷酸铁锂动力电池具备上述特点,并由此生产出各种不同容量的电池,因此很快得到广泛的应用。其主要应用领域为:
大型电动汽车:大巴车、电动汽车、旅游景点公交车及混合动力汽车等;
轻型电动车:电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、叉车、清洁车、电动轮椅等;
电动工具:电钻、电锯、割草机等;
遥控车、船、飞机等玩具;
太阳能、风能发电储能设备;
UPS及应急灯、警示灯、矿灯(最安全);
替代相机中的3V一次性锂电池和9V镍镉或镍氢充电电池(尺寸完全相同);
小型医疗仪器及便携式仪器等。
动力电池对比
目前动力锂离子电池正极材料最有前景的是改性锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。由于钴资源匮乏,镍钴成本高,价格波动较大,一般认为镍钴锰酸锂三元材料不太可能成为电动汽车动力锂离子电池的主流,但可以在一定范围内与尖晶石锰酸锂混合使用。
在金属交易市场上,钴(Co)是最贵的,储存量也有限,镍(Ni)和锰(Mn)相对便宜,铁(Fe)最便宜,正极材料的价格也和这些金属的价格一致,所以用正极材料制成的锂离子电池应该是最便宜的,它的另一个特点就是不污染环境。
对充电电池的要求有:容量高、输出电压高、充放电循环性能好、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定、使用安全(不会因过充、过放、短路等操作不当而引起燃烧、爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。作为正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上表现良好,尤其在高放电率放电(5-10C放电)、放电电压稳定、安全性(不燃烧、不爆炸)、寿命(循环次数)、对环境无污染等方面表现最好,是目前最好的大电流输出动力电池。
这里举一个用磷酸铁锂电池替代铅酸电池的例子,一块36V/10Ah(360Wh)的铅酸电池重量为12kg,一次充电可行驶约50km,可充电约100次,使用寿命约1年。如果用磷酸铁锂电池,同样360Wh能量(12块10Ah电池串联),重量约4kg,一次充电可行驶约80km,可充电1000次,使用寿命3~5年。虽然磷酸铁锂电池的价格比铅酸电池高很多,但总体经济效果还是磷酸铁锂电池更好,使用起来也更轻便。[1]磷酸铁锂行业不会过度依赖国外市场,原材料、设备也不会受制于国外企业。国内整个产业链已经比较成熟,同时国内外对磷酸铁锂的研究和产业化起步也没有太大差别。
三元锂电池:三元聚合物锂电池是指正极材料采用镍钴锰酸锂(Li(OH)2)三元正极材料的锂电池。三元复合正极材料的前驱体产物由镍盐、钴盐、锰盐组成,镍、钴、锰的配比可根据实际需要调整。采用三元材料做正极的电池比钴酸锂电池更安全,但电压太低,用在手机上(手机截止电压一般在3.0V左右)会有明显的容量不足的感觉。目前,三元材料的电池芯已经取代了之前广泛使用的钴酸锂电池,在笔记本电池领域得到广泛的应用。
优点:能量密度高、振实密度高。
缺点:安全性差、耐高温性差、寿命差、大功率放电性差、含有有毒元素(三元锂电池大功率充放电后温度急剧上升,且高温下会释放氧气,极易燃烧)。
表现
一种容量与安全性比较均衡的材料,循环性能比普通钴酸锂电池更好。早期由于技术原因,其标称电压仅为3.5-3.6V,限制了其使用范围。但随着配方的不断改进和结构的改善,电池的标称电压已经达到3.7V,容量也达到或超过了钴酸锂电池的水平。
地位
全球五大电芯品牌三洋、索尼、LG均已推出三元材料电芯,相当一部分笔记本电池线已将之前的钴酸锂电池换成三元材料电芯,三洋已全面停止钴酸锂电池生产,转而制造柱状电池用的三元电池,目前国内外小功率高倍率动力电池大多采用三元正极材料。
锂锰酸电池:锂锰酸电池是指正极采用锂锰氧化物材料的电池,锂锰酸电池标称电压为2.5~4.2V,锂锰酸电池因成本低、安全性好而被广泛应用。
优点:成本低、安全、正极材料低温性能好,
缺点:耐高温性差。锰酸锂长期使用后温度急剧上升,电池寿命严重降低(如日产电动车LEAF)。
使用
主要用作手机、笔记本电脑等便携式电子设备中锂离子电池的正极材料。
钴酸锂电池:钴酸锂电池结构稳定,容量比高,综合性能突出,但安全性较差,成本很高,主要用于中小型电池,广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中,标称电压为3.7V。
钴酸锂的特点
1.电化学性能优异 2.加工性能优异 3.振实密度高,有利于提高电池体积容量 4.产品性能稳定,一致性好
钴酸锂的用途
主要作为锂离子电池正极材料,用于手机、笔记本电脑等便携式电子设备的制造,通常用于3C产品,安全性极差,并不适合用于动力电池。
三元锂电池为何被禁止在商用车上使用?
在中国电动汽车百人会上,工信部装备司司长张相木说了一句引起很大争议的话,他表示:“工信部将组织对三元锂电池进行风险评估,评估完成前,三元锂电池客车将暂时停止列入新能源汽车推广应用推荐车型目录。”
针对此消息,电动车百人会新闻部专门发布公告称,百人会只是一个平台,不代表任何一方。而根据目前的报道,也有企业透露,相关管理机构已暂停受理三元锂电池电动客车的公告,但此事的真实性还有待考证。
反对三元锂电池在商用车上使用的主要原因是安全问题。但三元锂电池为何“陷入夹缝中”,还得从原理说起。
三元锂 VS 磷酸铁锂
“三元锂电池”的全称是“三元聚合物锂电池”,是指正极材料采用镍钴锰酸锂三元正极材料的锂电池。这种命名方式是根据电池的“正极材料”来划分的。此外,还有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂电池等。电池类别除了根据正极材料来划分外,还可以根据外观、外包装材料、电解液等来划分。
三元锂、锰酸锂、磷酸铁锂都可以用在电动汽车上,说了这么多“锂”大家可能有点头晕了,不过今天的主角就是三元锂电池和磷酸铁锂电池。
三元锂电池与磷酸铁锂电池的特点各有不同,主要矛盾集中在“能量密度”与“安全性”上。三元锂电池能量密度较高,但安全性却经常受到质疑。磷酸铁锂电池虽然能量密度较低,但大家都说它更安全。
所谓“安全性”的差别,主要在于正极材料。
这两种材料在达到一定温度的时候都会发生分解,三元锂材料在200度左右就会发生分解。另外,三元锂材料的化学反应更加剧烈,会释放出氧分子,在高温作用下,电解液会迅速燃烧,引发连锁反应。磷酸铁锂在700-800度就会发生分解,不会像三元锂材料那样释放氧分子,燃烧也没有那么剧烈。简单来说,三元锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。注意,这里我们只说“材料”。
从整体趋势来看,国内车企已转向三元锂电池用于乘用车,包括北汽、比亚迪、江淮等,相应的供应商也在加速三元锂电池的生产,如亿纬锂能半年报中透露,工厂二期将主要生产三元锂电池。
而磷酸铁锂电池方面,其在电动客车市场表现愈发活跃,去年11月,磷酸铁锂电池的电动客车装机量占比达到64.9%,而三元锂电池的装机量仅为27.6%。相反,在纯电动乘用车市场,三元锂电池的装机量在去年11月超过了76%。
问题不在于使用哪种电池
前面我们说的只是三元锂材料和磷酸铁锂材料性质上的差异,最终决定安全性的还是整个动力电池体系。
由于锂电池的特性,所以需要有BMS,主要功能有过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)等,一旦发生意外,可以立即切断电流。
如果电池发生热分解,首先要问BMS是否合格。
所以简单地认为三元锂电池不安全并不恰当,三元锂材料容易热解,但不代表三元锂电池不安全;磷酸铁锂材料不易热解,但不代表磷酸铁锂电池安全。
动力电池安全是一个系统性问题,不单单是材料问题。从以往纯电动大巴自燃事故来看,有三元锂电池,也有磷酸铁锂电池。但事故不代表某块电池失效,这里面牵涉的因素太多了,燃油车自燃事故不计其数。
其实我们更应该关注的是如何防止失效的电芯对其他电芯造成危害,由于工艺水平的限制,不可能做到所有电芯都保持100%的一致性。
振华新能源总经理李树军在日前的GNEV大会上表示,高能量密度材料的使用面临着鞭炮和手榴弹之间的选择。因此务实的做法是专注于组件安全,其重点是故障隔离和安全防护。单电池故障是不可避免的现象,但可以通过控制单电池来防止组件故障。
从更宏观的角度看,如果使用三元锂电池的目的是为了实现更长的续航里程,那么其实还有很多其他的方式可以实现,比如汽车轻量化等等,这是一个更加系统的工程。
但如果从政策角度对三元锂电池进行限制,这些相关的电动汽车技术是否也面临“忽视”?
总之,电池类型的选择要符合产品定位和技术,如果三元锂电池因为容易造成群体伤亡而被禁止在公交车上使用,那么小型车呢?
“国家保护”是否有私心?如果限制三元锂电池在商用车上的使用,最大的受益者或许是国内磷酸铁锂电池厂商,因为韩国电池企业主打三元锂电池,走低价路线。但再想想,这种“保护”真的有利于国内电动汽车及相关技术的发展吗?
事实上,技术可以解决材料固有的缺陷,通过政策干预技术的发展是值得考虑的。
在一个汽车工程师微信群里,有观点认为,电动车起火并不是坏事,早出事故总比晚出事故好。问题的关键不在于用了什么样的电池,而是我们的电动车增长速度太快,导致出现了大量的劣质产品,这些才是真正的安全隐患。
锂锰酸电池在全球新能源汽车领域的应用
中国储能网讯:近日,应主办方捷能科技的邀请,上海“新能源汽车大课堂”迎来了星恒电源研发总监程凯先生,他为整车厂、PACK企业、电芯企业、解决方案商等行业精英发表了《超级锰酸锂技术及应用》的主题演讲。详情见下文:
日韩企业在国际各大新能源汽车品牌中广泛使用锰酸锂电池
日韩电池企业AESC、东芝、LEJ、日立、LG等日韩电池企业已在日韩、欧美等多个主流品牌的新能源汽车上大量采用锰酸锂电池,尤其是日产LEAF,截止2016年底销量已达35万台。日系电池厂商的锰酸锂电池以大掺杂单晶颗粒为主:克容量略低,设计面密度很低,高温性能和循环性能好;常与三元或二元材料混合使用。
在我国,锰酸锂电池主要应用在新能源商用车领域。
由于我国新能源汽车推广路线不同,磷酸铁锂商业化最为突出,而随着对比能量的追求,三元电池的推广也开始加速。不过,以星恒为代表的一批动力锂电池企业,依然采用与国际接轨的锰酸锂技术方案,并进行大胆创新,发挥优势,主要应用在商用车领域。
不同材料都有各自的优缺点,星恒锰酸锂扬长避短。
普通锂锰氧化物的优点是电压平台高、耐低温性能好、倍率性能好、综合性价比高;而缺点是能量密度低、高温循环性能和储存性能差。
如何扬长避短,成为采用锰酸锂材料的电池厂需要解决的首要问题。程凯介绍:“与日系企业不同,星恒的锰酸锂采用由一次粒子团聚形成的二次粒子,通过掺杂、包覆双管齐下的方式对材料进行改性:提高锰酸锂的克容量;提高电池的高温循环性能和储存性能;在极片设计上采用高面密度设计。”
菲丽丝“超级锰酸锂”——高性价比动力锂电池
星恒通过多年的研发与改进,推出了高性价比的“超级锰酸锂”,具有循环寿命长、成本低、二次寿命长三大特点。
自2006年起,全球已有400万辆轻型电动车采用了星恒超高性能锰酸锂电池,历经14年、5个生命周期的市场考验。截止2016年底,星恒已为国内近2万辆电动车提供动力锂电池,尤其在电动物流车领域应用广泛。
补贴退坡及市场化为锰酸锂带来光明前景
“在电池‘高能量密度’的引领下,锰酸锂电池的发展一度受挫,但动力电池不能单方面追求单一性能。
如果不做出改变,国内企业投入的锰酸锂材料技术开发将受到影响,愿意使用锰酸锂做动力电池的车厂也会逐渐减少,导致整个体系落后于日韩企业,形成“恶性循环”。程凯在演讲中表示,“随着国家补贴退坡,新能源汽车市场化压力加大,但星恒对锰酸锂体系有坚定的信心。提升动力电池综合性价比,让新能源汽车得到广泛普及才是未来。”
他介绍,“锰酸锂材料本身成本优势突出,随着国内新能源汽车的大力发展,锂离子电池原材料价格大幅上涨:碳酸锂、六氟磷酸锂、镍、钴、铜等均受到影响,而只有锰酸锂主要材料二氧化锰价格保持稳定。”
星恒希望通过不断努力,到2020年将电池成本降至1元/瓦时,综合性价比优于传统燃油车,才能实现新能源汽车真正的市场化,锰酸锂电池,尤其是星恒的“超级锰酸锂”,潜力巨大!”
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