磷酸铁锂离子电池与三元锂离子电池的差别详细介绍

三元锂离子电池

三元聚合物锂离子电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂离子电池，三元复合正极材料是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际要调整，三元材料做正极的电池相关于钴酸锂离子电池安全性高。

三元锂离子电池的正极材料

1999年Liu等首次报道了层状的镍钻锰三元过渡金属复合氧化物，该氧化物为LiCoO2/LiNiO2/LiMnO，共熔体，具有LiCoO2的良好循环性能、LiNiO，的高比容量和LiMnO，的安全性.2001年T.Ohzuku等首次合成了具有优良性能的层状NaFeO，结构的LiNiuaCou3Mn/30，，镍钻锰三元复合材料的研究因此受到特别关注.层状镍钻锰三元复合材料一定程度综合了LiCo02、LiNiO2、LiMnO，的优势，弥补了不足，改善了材料性能，降低了成本.本文就近年来层状镍钻锰三元复合材料的制法、性能方面的研究状况进行综述，并简要概述了锂离子电池正极材料的发展趋势.

三元锂离子电池正极材料的结构特点

（1）层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌，且在锂离子脱嵌时无结构上的变化，以保证电极具有良好的可逆性能；

（2）锂离子在其中的嵌入和脱出量大，电极有较高的容量，并且在锂离子脱嵌时，电极反应的自由能变化不大，以保证电池充放电电压平稳；

（3）锂离子在其中应有较大的扩散系数，以使电池有良好的快速充放电性能。

磷酸铁锂离子电池

1997年，Padhi等人最早提出了LiFePO，的制备以及性能研究。LiFePO4具备橄榄石晶体结构，理论容量为170mAh/g，有相关于锂金属负极的稳定放电平台，虽然大电流充放电存在一定的缺陷，但由于该材料具有理论比能量高、电压高、环境友好、成本低廉以及良好的热稳定性等显著优点，是近期研究的重点替代材料之一。目前，人们重要采用高温固相法制备LiFePO1粉体，除此之外，还有溶胶-凝胶法、水热法等软化学方法，这些方法都能得到颗粒细、纯度高的LiFePO；材料。

磷酸铁锂离子电池优势

1、重量轻

同等规格容量的磷酸铁锂离子电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

2、高温性能好

磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钻酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20C-75C），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钻酸锂只在200℃左右。

3、大容量

n充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

4、安全性能的改善

磷酸铁锂晶体中的P-0键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钻酸锂相同结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。有报告指出，实际操作中针刺或短路实验中发现有小部分样品出现燃烧现象，但未出现一例爆炸事件，而过充实验中使用大大超出自身放电电压数倍的高电压充电，发现依然有爆炸现象。虽然如此，其过充安全性较之普通液态电解液钻酸锂离子电池，已大有改善。

5、寿命的改善

磷酸铁锂离子电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力锂电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是新半年、旧半年、维护维护又半年，最多也就1~1.5年时间，而磷酸铁锂离子电池在同样条件下使用，理论寿命将达到7~8年。综合考虑，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。大电流放电可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2c，而铅酸电池无此性能。

6、环保

磷酸铁锂离子电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SCS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。所以锂离子电池之所以被业界看好，重要是环保考量，因此该电池又列入了十五期间的863

国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着我国加入WT0，我国电动自行车的出口量将迅速增大，而进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池。但有专家表示，铅酸电池造成的环境污染，重要发生在公司不规范的生产过程和回收处理环节。同理，锂离子电池属于新能源行业不错，但它也不能防止重金属污染的问题。金属材料加工中有铅、砷、镉、汞、铬等都有可能会释放到灰尘和水中。电池本身就是一种化学物质，所以有可能会出现两种污染：①生产工程中的工艺排泄物污染；②报废以后的电池污染。

磷酸铁锂离子电池也有其缺点：例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂离子电池的体积要大于钻酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。而用于动力锂电池时，磷酸铁锂离子电池和其他电池相同，要面对电池一致性问题。

七、缺点

一种材料是否具有应用发展潜力，除了关注其优点外，更为关键的是该材料是否具有根本性的缺陷。

国内现在普遍选择磷酸铁锂作为动力型锂离子电池的正极材料，从政府、科研机构、公司甚至是证券公司等市场分析员都看好这一材料，将其作为动力型锂离子电池的发展方向。分析其原因，重要有下列两点：首先是受到美国研发方向的影响，美国Valence与A123公司最早采用磷酸铁锂做锂离子电池的正极材料。其次是国内一直没有制备出可供动力型锂离子电池使用的具有良好高温循环与储存性能的锰酸锂材料。但磷酸铁锂也存在不容忽视的根本性缺陷，归结起来重要有以下几点：

1、知识产权问题。目前磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有，而碳包覆专利被加拿大人所申请。这两个基础性专利是无法绕过去的，假如成本中计算上专利使用费的话，那产品成本将会进一步提高。

2、产品一致性差。目前国内还没有一家磷酸铁锂材料厂能够解决这一问题。从材料制备角度来说，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，有固相磷酸盐、铁的氧化物以及锂盐，外加碳的前驱体以及还原性气相。在这一复杂的反应过程中，很难保证反应的一致性。

3、在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性。单质铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质。这也是日本一直不将该材料作为动力型锂离子电池正极材料的重要原因。

4、磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低。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。美国阿贡国家实验室储能系统中心主任DonHillebrand博士谈到磷酸锂铁电池低温性能的时候，他用terrible来形容，他们对磷酸铁锂型锂离子电池测试结果表明表明磷酸铁锂离子电池在低温下（0℃以下）无法使电动汽车行驶。尽管也有厂家宣称磷酸锂铁电池在低温下容量保持率还不错，但是那是在放电电流较小和放电截止电压很低的情况下。在这种状况下，设备根本就无法启动工作。

5、材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差。磷酸铁锂的纳米化和碳包覆尽管提高了材料的电化学性能，但是也带来了其它问题，如能量密度的降低、合成成本的提高、电极加工性能不良以及对环境要求苛刻等问题。尽管磷酸铁锂中的化学元素Li、Fe与P很丰富，成本也较低，但是制备出的磷酸铁锂产品成本并不低，即使去掉前期的研发成本，该材料的工艺成本加上较高的制备电池的成本，会使得最终单位储能电量的成本较高。

磷酸铁锂离子电池单体，能量密度为120wh/kg，后组为80wh/kg;所述三元锂离子电池单体，一般180瓦时/千克的能量密度或110瓦时/千克的组的能量密度。从能量密度的角度来看，三元锂离子电池优于磷酸铁锂离子电池;在循环寿命方面，相当，单电池循环寿命都超过3000次，经过电池组，并且由于恶劣的工作条件变得复杂，电池寿命会降低到一定程度。

目前磷酸铁锂离子电池的能量密度已基本达到理论的完善，而三元锂离子电池的能量密度还有很大的提升空间。综合能力密度，功率密度，循环寿命，低温性能等，三元锂离子电池综合性能优于磷酸铁锂离子电池。