磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池的比較

　　隨著世界各國(guó)對(duì)新能源電池產(chǎn)業(yè)的政策傾斜，鋰離子動(dòng)力電池作為21世紀(jì)發(fā)展的理想能源，越來越受到大家的關(guān)注。自鋰電池在便攜式電器如手提電腦、攝像機(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用以后，最近兩三年中，世界一流鋰電企業(yè)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池商業(yè)化生產(chǎn)的成功，不僅給UPS、移動(dòng)激光電源、移動(dòng)照明電源、移動(dòng)通訊設(shè)備、軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了實(shí)質(zhì)進(jìn)展，更給汽車行業(yè)以動(dòng)力電源取代傳統(tǒng)能源的愿望帶來了希望。

　　如此廣闊的市場(chǎng)前景，使得鋰離子動(dòng)力電池商業(yè)化生產(chǎn)成為人們最為關(guān)注的焦點(diǎn)。中國(guó)鋰電行業(yè)的相關(guān)企業(yè)自然不會(huì)放過這個(gè)機(jī)遇，紛紛開始試制或批量生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池。

　　生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池必然要對(duì)正極材料進(jìn)行選擇。雖然從理論上講，可以提供選擇的正極材料品種繁多，但是目前真正可以應(yīng)用商業(yè)生產(chǎn)用途的鋰離子正極材料很少，歸納下來只有磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料。如果考慮電池的安全和循環(huán)壽命，那么只有磷酸鐵鋰和錳酸鋰可以勝任。它們之所以能夠成為動(dòng)力鋰離子電池正極材料的首選，和它們的結(jié)構(gòu)和性能有著密不可分的聯(lián)系。通過世界各國(guó)材料研究人員不懈的努力，我們對(duì)磷酸鐵鋰和錳酸鋰的結(jié)構(gòu)和性能有了下面的一些基本認(rèn)識(shí)。

磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)圖

錳酸鋰結(jié)構(gòu)圖

磷酸鐵鋰和錳酸鋰性能一覽表

　　根據(jù)上述研究數(shù)據(jù)，我們可以了解到磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池各自存在的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，具體比較如下表所示：

　　真正從事鋰電工作的人們對(duì)上述表格的結(jié)論都很清楚，磷酸鐵鋰和錳酸鋰做為鋰離子動(dòng)力電池的正極材料并不存在著誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣的巨大差異。但是對(duì)行外人士來說，就很容易被磷酸鐵鋰下列的幾個(gè)特點(diǎn)所迷惑：

　　1）常溫和較高溫度下循環(huán)性能極佳。

　　2）用它制備的鋰離子動(dòng)力電池在安全性能上表現(xiàn)良好。

　　盡管這是因?yàn)槠涔ぷ麟妷浩脚_(tái)只有3.3V所致，但是人們往往忽視這一點(diǎn)。

　　3）原材料豐富。

　　這一點(diǎn)很容易讓人們聯(lián)想到磷酸鐵鋰制備簡(jiǎn)單和低成本。

　　目前現(xiàn)在國(guó)內(nèi)某些鋰電企業(yè)正是憑借著行外人士的模糊認(rèn)識(shí)，通過各種輿論手段拼命夸大磷酸鐵鋰的循環(huán)和安全性能，并將錳酸鋰說得一無是處。如果僅僅是個(gè)別的商業(yè)性炒作倒也無可厚非，但是當(dāng)這種不負(fù)責(zé)任的做法逐漸被整個(gè)行業(yè)所默認(rèn)時(shí)，就令人匪夷所思了。

　　本文希望通過對(duì)磷酸鐵鋰和錳酸鋰的性能分析，還給它們一個(gè)公正和客觀的評(píng)價(jià)。

　　首先我們來看看鋰電行業(yè)生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池的情況。

　　世界上生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池最為成功的頂級(jí)鋰電企業(yè)有美國(guó)A123、加拿大的E-ONe Moli、日本的Sony和Sanyo等。其中除了A123是使用磷酸鐵鋰作為正極材料以外，其他企業(yè)所使用的正極材料均是以錳酸鋰為主要成分。再?gòu)?008年國(guó)際動(dòng)力鋰離子電池商業(yè)生產(chǎn)份額來看，以錳酸鋰為主體正極材料的鋰離子動(dòng)力電池占了整個(gè)市場(chǎng)的90%以上。由此可見，錳酸鋰正極材料到目前為止是世界一流鋰電行業(yè)制備鋰離子動(dòng)力電池的首要選擇。

　　中國(guó)的鋰電行業(yè)目前對(duì)鋰離子動(dòng)力電池可以實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)量產(chǎn)化的企業(yè)大約有：日本TDK投資的ATL、深圳的比亞迪、天津的力神、常州的江蘇錳克和蘇州的星恒等。其中除了深圳的比亞迪聲稱擁有“鐵電池”外，其他公司生產(chǎn)的鋰離子動(dòng)力電池均是使用錳酸鋰為主體的正極材料。

　　如果上述情況仍然不能讓大家明白的話，我們?cè)偬峁┮恍?shí)例做進(jìn)一步的說明。這里我們以江蘇錳克電池有限公司的錳系鋰離子動(dòng)力電池與國(guó)內(nèi)河北某知名鋰電公司以及深圳某鋰電公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰鋰離子動(dòng)力電池做一些同等狀態(tài)下的放電測(cè)試。測(cè)試過程和結(jié)果如下所示：

　　1.18650圓柱形樣品測(cè)試前參數(shù)一覽表：

　2.18650圓柱形樣品單體倍率放電測(cè)試程序：

　　測(cè)試環(huán)境溫度： 23℃±2℃充電電流1C*，充電截止電壓：錳克電池=4.2V，磷酸鐵鋰電池=3.65V放電電流分別為1C*/5A/10A/15A/20A/30A，放電截止電壓：2.5V*: 1C放電電流以電池樣品標(biāo)稱容量為基準(zhǔn)

　　3.18650圓柱形樣品單體倍率放電曲線圖

MNKE-A063

河北某鋰電公司 深圳某鋰電公司

MNKE-A014

　　對(duì)于動(dòng)力電池來說，高倍率放電是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。通過上述倍率放電的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，錳克公司錳酸鋰系列的動(dòng)力電池可以承受高達(dá)30A的電流放電。而深圳某公司的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池最大承受的放電電流為15A，河北某公司的產(chǎn)品則更差些，只能承受10A的放電電流。同時(shí)在承受大電流放電的時(shí)候錳酸鋰系列的電池依舊是可以達(dá)到1400mAh以上，而其他公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在超過10A電流放電時(shí)，容量達(dá)不到900mAh。值得注意的是：磷酸鐵鋰動(dòng)力電池均沒有達(dá)到制造公司所給出的標(biāo)稱容量，也就是說，它們的實(shí)際容量在1C放電的情況下只有1000mAh左右。

　　這樣的結(jié)果意味著什么呢？電動(dòng)工具的制造商們一定會(huì)很清楚。因?yàn)楸容^專業(yè)的電動(dòng)工具其正常工作電流通常在15-20A，如果遇到堵轉(zhuǎn)的話，瞬時(shí)工作電流將達(dá)到50-60A左右。上述電池中，除了江蘇錳克電池有限公司的錳系鋰離子動(dòng)力電池可以勝任這樣的工作要求以外，其它電池均遠(yuǎn)達(dá)不到專業(yè)電動(dòng)工具的基本工作指標(biāo)。

　　也許有人會(huì)說，單節(jié)磷酸鐵鋰電池電壓容量達(dá)不到，串并聯(lián)起來不就可以了嗎？話是不錯(cuò)的，但是串并聯(lián)后大大增加了的使用量，增加了體積和重量，無論是成本上還是使用上都帶來不利因素，從上面的數(shù)據(jù)可以看出MNKE電池容量是其他公司鋰離子電池的1.5倍。相對(duì)而言，MNKE電池更容易成為電動(dòng)工具制造商的首選。

　　4.18650圓柱形樣品單體溫度放電測(cè)試程序：

　　充電電流1C*，充電截止電壓：錳克電池=4.2V，磷酸鐵鋰電池=3.65V放電電流：1C*放電截止電壓：2.5V放電溫度：-20℃/-15℃/-10℃/23℃*: 1C放電電流以電池樣品標(biāo)稱容量為基準(zhǔn)5.18650圓柱形樣品單體溫度放電曲線圖比較可以看出錳克錳酸鋰電池在-20℃以下可以正常放電，而河北和深圳的磷酸鐵鋰電池在-20℃時(shí)不能放電，在-10℃的情況下已經(jīng)不能正常放電，放出的容量?jī)H為標(biāo)稱容量的30％，同時(shí)工作電壓平臺(tái)傾斜不穩(wěn)，根本不能提供正常的工作的效能。

　　磷酸鐵鋰電池的低溫性能是令人擔(dān)心的。盡管人們通過各種方法（例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導(dǎo)電性能，通過改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應(yīng)面積、通過加入額外的導(dǎo)電劑增加電子導(dǎo)電性等）改善磷酸鐵鋰的低溫性能，但是磷酸鐵鋰材料的固有特點(diǎn)，決定其低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。

　　電動(dòng)工具、電動(dòng)車等利用電池作為移動(dòng)能源的設(shè)備，在考慮容量的同時(shí)，也要考慮到工作環(huán)境的要求，其中溫度是個(gè)重要指標(biāo)，尤其是地處亞寒帶和寒帶的地區(qū)，使用的移動(dòng)工具必須能保證在-10℃至-20℃能正常工作，所以從MNKE品牌與其他公司磷酸鐵鋰動(dòng)力電池相比較，它的優(yōu)越性不言而喻。

　　總結(jié)

　　從上述的比較看，國(guó)內(nèi)一些磷酸鐵鋰動(dòng)力電池遠(yuǎn)沒有達(dá)到商業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)。原因主要是有下列幾點(diǎn)：

　　1）磷酸鐵鋰材料的振實(shí)密度和導(dǎo)電率差，這個(gè)問題在國(guó)內(nèi)還沒有得到有效解決，所以該類產(chǎn)品單位體積容量低，雖然看其來交流內(nèi)阻比較低，但因?yàn)閷?dǎo)電率問題未得到解決，產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中直流內(nèi)