磷酸铁锂与三元锂对比

磷酸铁锂（LFP）

磷酸铁锂在大型锂离子电池方面有着良好的商业化应用前景，但是在高技术领域由于性能欠缺而缺乏竞争力。其理论容量为170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对LiFePO4进行表面修饰，其实际容量可高达165mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为3.4V左右。

主要优点：高稳定性、安全性能好、环保性能较好、价格低廉。

主要缺点：（1）本征电子电导率非常低，LFP材料Li+的活化能只有约0.3～0.5eV，导致其Li+扩散系数只有约10-10～10-15cm2/s。极低的电子电导和离子扩散系数是LFP倍率性能不佳的主要原因。（2）LFP的振实密度较低，一般只能达到0.8-1.3g/cm3，材料纳米化后，振实/压实密度更低，低压实密度必然会降低动力电池的能量密度。（3）工业化生产中二价铁离子容易氧化或过度还原，恶化LFP的电化学性能。

发展趋势：（1）运用纳米合成技术，减小Li+扩散距离以改善其倍率性能；（2）制造碳包覆的LFP复合物，提高其电子电导；（3）采用颗粒球形化技术提高材料振实密度，从而提高LFP电池的能量密度；（4）掺杂其它金属阳离子增强其电子电导和离子扩散系数。

三元材料（NCM/NCA）

NCA作为正极的电池容量较高，相应的稳定性较差，应用于特斯拉ModelS；NCM单体电芯能量密度相对于LFP和LMO电池有较大提升，将成为未来电动汽车的主流选择。NCA材料容量在200mAh/g左右，NCM材料容量为160mAh/g左右，工作电压平均为3.8V。

技术原理：综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三种材料的优点，由于Ni、Co和Mn之间存在明显的协同效应，因此NMC的性能好于单一组分层状正极材料。

主要优点：三元材料在电池比能量、比功率、大倍率充电、低温性能等方面有优势。

主要缺点：（1）由于混排效应造成NMC首次充放电效率不高；（2）安全性问题比较突出，高温存储和循环性还有待提高；（3）锂离子扩散系数和电子电导率低，使得材料的倍率性能不是很理想；（4）三元材料的压实被其颗粒结构所限制，导致难以对电芯能量密度进行进一步的提升。

发展趋势：（1）为了提高热稳定性、循环性能或倍率性能等，通常对三元材料进行掺杂改性研究；（2）进行表面包覆，无机物表面包覆可以优化材料的循环性能；（3）优化生产工艺（降低表面残碱含量、改善晶体结构完整性、减少材料中细粉的含量等）以提高产品品质。

磷酸铁锂材料与三元材料性能对比

三元材料在电池比能量、比功率、大倍率充电、低温性能等方面有优势，安全性和循环性能方面则是磷酸铁锂优势明显。

充电性能：磷酸铁锂在30%～80%SOC是电压变化较小，因此恒流充电容量/总容量比例与三元材料电池差距越明显。

放电性能：相同体积电池，正极使用三元材料比使用磷酸铁锂材料放电容量高约20%，比能量高约37%，放电比功率高约40%。由于三元材料质量比容量、压实密度均高于磷酸铁锂材料，所以使用三元材料电池放电有较大优势。

循环性能：目前三元材料实验室循环寿命在2500次左右，磷酸铁锂电池循环寿命在3500次以上，部分达到5000次以上。

总结：在选用电池时可根据不同用途选择，如大巴车空间较大，对电池比能量和比功率要求相对较低，可选择磷酸铁锂材料电池，发挥其循环性能好的特性，轿车空间有限，电池用量小，则选用高比能量与高比功率三元材料电池更为合适。