目前國內的主流動力電池，根據正極材料的不同，分為磷酸鐵鋰電池和三元電池兩種。正是由于正極材料的不同，造成了這兩種電池在性能上存在較大的差別。

磷酸鐵鋰材料結構穩定，熱穩定性好，其循環性能和安全性優于三元材料；三元材料能量密度高，但由于充放電過程中材料結構不穩定，易發生相轉變，因此其循環性能比磷酸鐵鋰差；三元材料的熱穩定性較差，因此三元電池安全隱患高于磷酸鐵鋰，國內外關于電動汽車燃燒、爆炸的事故報道中，三元電池所引發的安全事故量顯著高于磷酸鐵鋰電池。

一、實驗過程

本文根據GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》和GB/T 31486-2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》的相關測試規程，對75Ah磷酸鐵鋰和三元NCM622電池的單體循環壽命、室溫放電容量，以及模塊(5支單體串聯)的室溫放電容量、室溫倍率性能進行了測試。電池單體和模塊照片如圖1所示。磷酸鐵鋰電池單體質量1.81kg，模塊質量9.05kg；三元電池單體質量1.34kg，模塊質量6.70kg。

圖1 商業化磷酸鐵鋰電池(a)單體和(b)模塊；商業化三元電池(a)單體和(b)模塊

1.1 電池單體性能測試

磷酸鐵鋰電池單體充電電壓上限為3.8V，放電終止電壓為2V；磷酸鐵鋰電池模塊充電電壓上限為19V。三元電池單體充電電壓上限為4.2V，放電終止電壓為3.0V；三元電池模塊充電電壓上限為21.5V。

1.1.1 單體循環壽命測試

a)以1I1(I1＝75A)放電至終止電壓；

b)擱置30分鐘；

c)以1I1電流恒流充電至電壓上限轉恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電；

d)擱置30分鐘；

e)以1I1放電至放電終止條件，記錄放電容量；

f)按照b)～e)連續循環500次。

1.1.2 單體室溫放電容量測試

a)1I1電流恒流充電至電壓上限轉恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，擱置1h；

b)室溫下，蓄電池以1I1電流放電，直到放電至終止電壓；

c)計量放電容量，記錄放電比能量；

d)重復步驟a)～c)5次，當連續3次試驗結果的極差小于額定容量的3%，可提前結束試驗，取最后3次試驗結果平均值。

1.2 電池模塊性能測試

1.2.1 模塊室溫放電容量測試

a)電池模塊(5支單體串聯)以1I1充電至電壓上限轉恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，若充電過程中有單體電池電壓超過終止電壓0.1V時停止充電，充電后擱置1h；

b)室溫下，蓄電池以1I1電流放電，直至任意一個單體電壓達到放電終止電壓；

c)計量放電容量和放電比能量；

d)重復步驟a)～c)5次，當連續3次試驗結果的極差小于額定容量的3%，可提前結束試驗，取最后3次試驗結果平均值。

1.2.2 模塊室溫倍率放電性能測試

a)電池模塊以1I1充電至電壓上限轉恒壓充電，至充電電流降至0.05I1時停止充電，若充電過程中有單體電池電壓超過終止電壓0.1V時停止充電，充電后擱置1h；

b)室溫下,蓄電池模塊以3I1電流放電，直至任意一個單體電壓達到放電終止電壓；

c)計量放電容量。

二、結果與討論

商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環壽命測試結果如圖2所示。磷酸鐵鋰電池的首周放電容量為77.80Ah(質量比容量42.98Ah/kg)，500周循環后放電容量為72.01Ah(質量比容量39.78Ah/kg)，容量保持率為92.56%。三元電池的首周放電容量為77.82Ah(質量比容量58.07Ah/kg)，500周循環后放電容量為70.69Ah(質量比容量52.75Ah/kg)，容量保持率為90.84%。

圖2 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的循環壽命測試結果

由此可見，磷酸鐵鋰電池的循環穩定性高于三元電池，而三元電池在比容量方面更有優勢，而其額定電壓也高于磷酸鐵鋰。因而可以預見，三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰電池，后續的放電容量測試將對此進行具體的驗證。

圖3 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池單體的放電曲線

圖3(a)和圖3(b)所示分別為磷酸鐵鋰和三元電池的3次放電容量曲線，磷酸鐵鋰電池在3.25～3.15V間有平緩的放電電壓平臺，而三元電池的放電平臺4.05～3.35V，電壓平臺較寬。記錄磷酸鐵鋰的3次放電能量分別為248.90Wh(比能量137.51Wh/kg)、248.15Wh(比能量137.10Wh/kg)、247.31Wh(比能量136.64Wh/kg)，平均比能量為137.08Wh/kg；而三元電池的三次放電能量分別為278.78Wh(比能量208.04Wh/kg)、282.36Wh(比能量210.72Wh/kg)、282.88Wh(比能量211.10Wh/kg)，平均比能量為209.95Wh/kg。由此可見，由于三元電池的比容量和電壓平臺均高與磷酸鐵鋰電池，因而商業化三元電池的比能量高于磷酸鐵鋰電池。

圖4 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的放電曲線

圖4(a)和圖4(b)所示分別為磷酸鐵鋰和三元電池模塊的3次放電容量曲線，磷酸鐵鋰電池模塊在約16.25～15.50V間有平緩的放電電壓平臺，而三元電池模塊的放電平臺范圍較寬，約在20.75～17V間，這與單體的放電曲線相對應的。記錄磷酸鐵鋰的3次放電能量分別為1220.53Wh(比能量134.86Wh/kg)、1235.08Wh(比能量136.47Wh/kg)、1236.24Wh(比能量136.60Wh/kg)，平均比能量為135.97Wh/kg；而三元電池的三次放電能量分別為1477.82Wh(比能量220.57Wh/kg)、1481.72Wh(比能量221.15Wh/kg)、1482.85Wh(比能量221.32Wh/kg)，平均比能量為221.01Wh/kg。電池模塊測試的比能量與單體測試結果相近。

圖5 商業化磷酸鐵鋰電池和三元電池模塊的倍率放電曲線

磷酸鐵鋰電池模塊的放電電壓平臺約為15.75～15V，三元電池模塊的放電電壓平臺約為19.5V～16.5V，對比1C倍率下的放電曲線發現，3C倍率下的放電電壓平臺有所下降，這是因為在高倍率下極化現象加劇的原因所造成的。

三、結論

商業化動力磷酸鐵鋰電池的循環穩定性優于三元電池，其耐久性更為優異。商業化三元電池放電電壓平臺高，比容量高，三元電池單體和模塊的能量密度超過200Wh/kg，高于磷酸鐵鋰電池(約136Wh/kg)，因而可以為電動汽車提供較長的續航里程。磷酸鐵鋰電池和三元電池高倍率下都有較為優異的放電能力。電動汽車生產商基本是根據汽車的指標參數進行電池體系選型；而對于電動汽車買家而言，首先應了解電動汽車所用電池的體系是磷酸鐵鋰電池還是三元電池，從而根據按自己的實際需求進行車型選擇。