本
文
摘
要
如今，汽车行业正处于高速电气化的过程中，汽车电池已经成为电动汽车中非常重要的一部分，这在相当程度上影响并决定了汽车的成本、里程、价格、稳定性和安全性。
因此，汽车电池的重要性超过了传统燃油车的发动机。选择哪种电池来确保电动汽车的良好性能已成为一个问题。三元锂电池是电动汽车电池的主要电池材料之一。
本文将为您介绍三元锂电池的概念、优缺点，以及三元锂锂电池与磷酸铁锂电池的比较，以及三锂电池的新产品：三元铁锂电池。
三元锂电池的概念
三元锂电池是一种锂离子电池。锂离子电池的一种分类方法是按正极材料分类。锂电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。
通常，锂电池的正极材料是钴酸锂，三元锂电池是使用三元材料镍钴锰酸锂作为正极材料的锂电池。
还有使用镍、钴和铝作为正极材料的三元锂电池。锂镍钴锰酸比锂钴酸便宜，目前的三元材料电池已经取代了此前广泛使用的锂钴锰电池。我们已经总结了前十大三元材料制造商，您可以阅读本文了解更多关于三元材料的信息。
三元锂电池的优势
泰科伦定制锂离子电池组制造商的轻型摩托车电池是三元锂电池，镍、钴和锰三元材料分别具有以下优势。
Co3+：减少阳离子混合物的占据，稳定材料的层状结构，降低阻抗值，提高电导率，改善循环和效率性能。
Ni2+：可以提高材料的容量（提高材料的体积能量密度），并且由于Li和Ni的半径相似，过多的Ni会与Li位错并导致锂和镍混合。
锂层中镍离子的浓度越大，锂在层状结构中越难分解，导致电化学性能较差。
Mn4+：它不仅可以降低材料成本，还可以提高材料的安全性和稳定性。然而，高Mn含量将容易出现尖晶石相并破坏层状结构，导致容量降低和循环衰减。
高能量密度和良好的循环性能是三元锂电池的最大优势，这也是电池的重要因素。电压平台决定电池的基本效率和成本，是电池能量密度的重要指标。
电压平台越高，比容量越大。因此，相同体积和重量，甚至相同安培小时的电池，三元锂电池的电压平台越高，其寿命越长。
具体来看，单三元锂电池的放电电压平台高达3.7V，磷酸铁锂为3.2V，钛酸锂仅为2.3V，因此从能量密度来看，三元锂具有绝对优势，是一种综合性能优异的电池。
三元锂电池的缺点
三元锂电池的最大缺点是相对较低的安全性，并且在受到撞击和温度较高时，其燃点较低。如上所述，三元锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰锂电池。
由于镍钴铝在高温下的结构不稳定，导致高温下的安全性较差，pH值过高使单体膨胀，从而导致危险。
三元锂电池与磷酸铁锂电池的比较
在电动汽车领域，三元锂电池和磷酸铁锂电池是两种主流。它们的物理和化学结构不同，所以材料的财产也不同，导致性能上的差异。
三元锂电池的优点是能量密度高、低温性能好、充放电密度高、电量估计准确，磷酸铁锂电池的优势是成本低、安全稳定。
能量密度
这是因为从材料本身的结构来看，三元材料在相同数量的锂离子下具有更低的分子量，因此其比容量高于铁锂，电池的能量密度也更高。
三元材料的晶体结构是层状的。在充放电过程中，Li+被嵌入到MO6的层间结构中（Mn=Ni，Mn，Co）。随着镍含量的增加，脱嵌Li+增加，三元材料的理论容量和电池能量密度增加。
磷酸铁锂晶体呈现三维网状橄榄石结构，形成一维Li+传输通道，限制了Li+的扩散。同时，八面体FeO6是共顶点连接的，导致电子迁移率比三元层状结构慢100-1000倍。
三元正极中的锂离子可以在两个不同的方向上移动，这使得电池比锂铁更强大，充电和放电能力更强。
安全性和稳定性
然而，由于Ni2+（0.069nm）和Li+（0.076nm）的半径彼此接近，高温下随着三元共聚物烧结材料中镍含量的增加，Li和Ni混合的概率迅速增加，这使得Li+的脱intercalation困难，导致材料的比容量和循环财产降低，难以逆转。
此外，随着镍含量的增加，材料中Ni3+的不稳定比例增加，这倾向于与空气中的水分和二氧化碳发生反应，加剧了比容量和循环性能的损失。
相反，磷酸铁锂的P-O化学键相对稳定，只有在温度达到700-800摄氏度时才会分解。即使电池变形和损坏，氧分子也不会释放，并会发生剧烈燃烧。因此，锂铁电池具有更好的稳定性和安全性能。
温度性能
此外，通过比较三元锂电池和磷酸铁锂电池的性能差异，发现三元正极由于与锂铁的橄榄石结构相比，其低温性能也优于锂铁。
在零下20℃下，三元锂电池的释放容量比铁锂电池高15pct。这种性能差异将使配备三元锂电池的汽车在冬季拥有比铁锂电池更好的续航里程。
由于其更稳定的晶格结构，锂铁材料在高温下的安全性和稳定性方面具有明显的优势。同时，铁锂的稳定结构也带来了比三元更高的第一效应和循环寿命。
SOC曲线
此外，三元锂电池和磷酸铁锂电池的电化学性能也因SOC曲线而不同。三元锂电池的SOC曲线与其电压水平有着相对线性的关系，而锂铁电池由于其长的充放电平台和高原期后的电压突变，其SOC曲线不能轻易通过其电压变化来确定。
三元锂电池的估计SOC在其实际值的1-2%以内，而铁锂电池的预计SOC可能在其实际价值的10%左右。车主经常想知道汽车电池在行驶时会持续多长时间（点击链接了解如何计算），由于SOC曲线的差异，三元锂电池的汽车更能计算和显示剩余续航里程，而铁锂电池车型的汽车则容易出现续航里程显示系数突然下降的情况，从而带来所有者使用体验的差异。
成本优势
在相同体积下，三元锂电池总是表现出更好的能量密度，即相同体积和质量，使用三元锂蓄电池可以跑得更远。然而，在三元（镍、钴、锰（铝））材料中，镍的比例正在增加。
电池的能量密度确实进一步提高，但寿命、过热甚至安全问题再次出现。更不用说稀有金属的使用，导致三元锂电池一直承受着高昂的成本压力。
同时，铁锂材料与三元材料中更稀缺的镍、钴和锰相比，具有明显的价格和成本优势，因为其成分主要是廉价的铁和磷。
因此，三元锂电池和磷酸铁锂电池的优缺点是互补的。磷酸铁锂的最大优点是高安全性和低成本。理论上，磷酸铁锂电池可以承受大约三元锂电池两倍的温度，并且在分解状态下不会释放氧气，自燃风险低。
再加上更多的充电周期，且不含稀有金属钴，因此具有较大的成本优势。当然，磷酸铁锂的缺点是能量密度低、低温衰减严重、剩余功率估计误差大等。
三元锂电池新产品：三元铁锂电池
从理论上讲，如果三元锂和磷酸铁锂电池按一定比例串联在一起，就可以得到各方面相对均衡的电池。而串联后，由于电池系统具有更好的铁锂电池的耐热性，如果热失控，铁锂电池也可以在一定程度上阻断热传导。
然而，尚未生产出此类系列产品，这意味着这种理论上可行的解决方案在实践中遇到了巨大且无法解决的问题。
尽管如此，最近，蔚来推出了三元铁锂电池组，这意味着理论和实际困难已经解决，产品可以实际量产。
事实上，磷酸铁锂和三元锂电池材料在系列电池组中的特点，可以避免相当一部分新能源汽车目前使用的痛点。蔚来的计划就是这样。新的三元锂铁电池组的电池容量为75kWh，取代了之前的70kWh三元锂电池组。
新电池组的能量密度增加了14%，达到142Wh/kg，但重量只增加了约15kg。根据官方数据，与之前的70kWh三元锂电池组相比，搭载新电池组的蔚来车型的里程将增加30公里以上。
