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锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源

磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的比较

2021-03-10 ryder

随着世界各国对新能源电池产业的政策倾斜,锂离子动力锂离子电池作为21世纪发展的理想能源,越来越受到大家的关注。自锂电池在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍使用以后,最近两三年中,世界一流锂电公司对锂离子动力锂离子电池商业化加工的成功,不仅给UpS、移动激光电源、移动照明电源、移动通讯设备、军事范畴、航空航天范畴的使用带来了实质进展,更给汽车行业以动力电源取代传统能源的愿望带来了希望。


如此广阔的将来方向,使得锂离子动力锂离子电池商业化加工成为人们最为关注的焦点。我国锂电行业的相关公司自然不会放过这个机遇,纷纷开始试制或批量加工锂离子动力锂离子电池。


加工锂离子动力锂离子电池必然要对正极材料进行选择。虽然从理论上讲,可以供应选择的正极材料品种繁多,但是目前真正可以使用商业加工用途的锂离子正极材料很少,归纳下来惟有磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料。倘若考虑电池的安全和循环寿命,那么惟有磷酸铁锂和锰酸锂可以胜任。它们之所以能够成为动力锂电池正极材料的首选,和它们的结构和性能有着密不可分的联系。通过世界各国材料研究人员不懈的努力,我们对磷酸铁锂和锰酸锂的结构和性能有了下面的一些基本认识。


磷酸铁锂结构图


锰酸锂结构图


磷酸铁锂和锰酸锂性能一览表


依据上述研究数据,我们可以知道到磷酸铁锂电池和锰酸锂电池各自存在的优点和劣势,详尽比较如下表所示:


真正从事锂电工作的人们对上述表格的结论都很清楚,磷酸铁锂和锰酸锂做为锂离子动力锂离子电池的正极材料并不存在着谁优谁劣的巨大差异。但是对行外人士来说,就很容易被磷酸铁锂下列的几个特点所疑惑:


1)常温柔较高温度下循环性能极佳。


这是因为它具备橄榄石结构,该结构在室温直至80℃的情况下呈现出很好的稳定性。试验室制备的单体电池在进行1C的循环探测时,有创下2000次的记录。

2)用它制备的锂离子动力锂离子电池在安全性能上表现良好。


尽管这是因为其工作电压平台惟有3.3V所致,但是人们往往忽视这一点。


3)原材料丰富。


这一点很容易让人们联想到磷酸铁锂制备简单和低成本。


目前今朝国内某些锂电公司正是凭借着行外人士的模糊认识,通过各种舆论手段拼命夸大磷酸铁锂的循环和安全性能,并将锰酸锂说得一无是处。倘若仅仅是个别的商业性炒作倒也无可厚非,但是当这种不负责任的做法逐渐被整个行业所默认时,就令人匪夷所思了。


本文希望通过对磷酸铁锂和锰酸锂的性能分解,还给它们一个公正和客观的评价。


首先我们来看看锂电行业加工锂离子动力锂离子电池的情况。


世界上加工锂离子动力锂离子电池最为成功的顶级锂电公司有美国A123、加拿大的E-ONeMoli、日本的Sony和Sanyo等。其中除了A123是使用磷酸铁锂作为正极材料以外,其他公司所使用的正极材料均是以锰酸锂为紧要成分。再从2008年国际动力锂电池商业加工份额来看,以锰酸锂为主体正极材料的锂离子动力锂离子电池占了整个市场的90%以上。由此可见,锰酸锂正极材料到目前为止是世界一流锂电行业制备锂离子动力锂离子电池的首要选择。


我国的锂电行业目前对锂离子动力锂离子电池可以实现初步商业量产化的公司约莫有:日本TDK投资的ATL、深圳的比亚迪、天津的力神、常州的江苏锰克和苏州的星恒等。其中除了深圳的比亚迪声称拥有“铁电池”外,其他公司加工的锂离子动力锂离子电池均是使用锰酸锂为主体的正极材料。


倘若上述情况依然不能让大家明白的话,我们再供应一些实例做进一步的说明。这里我们以江苏锰克电池有限公司的锰系锂离子动力锂离子电池与国内河北某知名锂电公司以及深圳某锂电公司加工的磷酸铁锂锂离子动力锂离子电池做一些同等状态下的放电探测。探测过程和结果如下所示:


1.18650圆柱形样品探测前参数一览表:


2.18650圆柱形样品单体倍率放电探测程序:


探测环境温度:23℃±2℃充电电流1C*,充电截止电压:锰克电池=4.2V,磷酸铁锂电池=3.65V放电电流分别为1C*/5A/10A/15A/20A/30A,放电截止电压:2.5V*:1C放电电流以电池样品标称容量为基准


3.18650圆柱形样品单体倍率放电曲线图


MNKE-A063


河北某锂电公司深圳某锂电公司


MNKE-A014


关于动力锂离子电池来说,高倍率放电是一个非常紧要的指标。通过上述倍率放电的探测可以发现,锰克公司锰酸锂系列的动力锂离子电池可以承受高达30A的电流放电。而深圳某公司的磷酸铁锂动力锂离子电池最大承受的放电电流为15A,河北某公司的产品则更差些,只能承受10A的放电电流。同时在承受大电流放电的时候锰酸锂系列的电池依旧是可以达到1400mAh以上,而其他公司加工的磷酸铁锂动力锂离子电池在超过10A电流放电时,容量达不到900mAh。值得留意的是:磷酸铁锂动力锂离子电池均没有达到制造公司所给出的标称容量,也就是说,它们的实际容量在1C放电的情况下惟有1000mAh左右。


这样的结果意味着什么呢?电动工具的制造商们一定会很清楚。因为比较专业的电动工具其正常工作电流通常在15-20A,倘若遇到堵转的话,瞬时工作电流将达到50-60A左右。上述电池中,除了江苏锰克电池有限公司的锰系锂离子动力锂离子电池可以胜任这样的工作要求以外,其它电池均远达不到专业电动工具的基本工作指标。


也许有人会说,单节磷酸铁锂电池电压容量达不到,串并联起来不就可以了吗?话是不错的,但是串并联后大大新增了的使用量,新增了体积和重量,无论是成本上还是使用上都带来不利因素,从上面的数据可以看出MNKE电池容量是其他公司锂电池的1.5倍。相对而言,MNKE电池更容易成为电动工具制造商的首选。


4.18650圆柱形样品单体温度放电探测程序:


充电电流1C*,充电截止电压:锰克电池=4.2V,磷酸铁锂电池=3.65V放电电流:1C*放电截止电压:2.5V放电温度:-20℃/-15℃/-10℃/23℃*:1C放电电流以电池样品标称容量为基准5.18650圆柱形样品单体温度放电曲线图比较可以看出锰克锰酸锂电池在-20℃以下可以正常放电,而河北和深圳的磷酸铁锂电池在-20℃时不能放电,在-10℃的情况下已经不能正常放电,放出的容量仅为标称容量的30%,同时工作电压平台倾斜不稳,根本不能供应正常的工作的效能。


磷酸铁锂电池的低温性能是令人担心的。尽管人们通过各种办法(例如锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能,通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂新增电子导电性等)改善磷酸铁锂的低温性能,但是磷酸铁锂材料的固有特点,决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。


电动工具、电动车等利用电池作为移动能源的设备,在考虑容量的同时,也要考虑到工作环境的要求,其中温度是个紧要指标,尤其是地处亚寒带和寒带的地区,使用的移动工具非得能保证在-10℃至-20℃能正常工作,所以从MNKE品牌与其他公司磷酸铁锂动力锂离子电池相比较,它的优越性不言而喻。


总结


从上述的比较看,国内一些磷酸铁锂动力锂离子电池远没有达到商业使用的标准。原由紧要是有下列几点:


1)磷酸铁锂材料的振实密度和导电率差,这个问题在国内还没有得到有效处理,所以该类产品单位体积容量低,虽然看其来交流内阻比较低,但因为导电率问题未得到处理,产品在实际使用中直流内

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