电池的种类很多,可分为化学电池、物理电池和生物电池。按结构分类,可分为电池和燃料电池两大类。从种类上讲,现在新能源汽车使用的电池属于化学电池,常见的有铅酸、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝五种动力电池。其中磷酸铁锂(简称LFP)和三元锂电池(简称NCM)能量密度更高、性能更稳定,是目前电池市场上流通最广的两种电池,也是应用最广泛的主流电源用于电动汽车。
因为目前市场上流通的是LFP和NCM锂电池,所以,下面我们就着重介绍这两种电池,了解一下这两种电池的区别。
能量密度是评价电池性能的重要指标。一般来说,能量密度越高,电池单位重量或体积所能容纳的电量就越多,续航里程也就越远。例如,两块重量和大小相同的矿石,一块杂质多一点,一块杂质少一点,提取率高一点,无疑会更有价值。因此,同样体积下,能量密度越高,蓄电能力越强。
LFP由于其固有的化学特性,电荷低,能量密度约为140Wh/kg。NCM电压高,能量密度基本在240kWh/kg。也就是说,同等重量下,NCM的能量密度是LFP的1.7倍。
目前NCM锂电池有NCM523、NCM622和NCM811三种。这三种锂电池都是根据正极材料中镍、钴、锰的比例来命名的,比如811电池。正极材料主要由80%的镍、10%的钴和10%的锰组成。简单来说就是在之前NCM的基础上将电极材料改为8:1:1。
随着对电池能量密度的要求越来越高,高镍NCM811是电池发展的重点突破方向。选择它的主要原因是镍含量的增加会促进三元(镍钴锰)正极材料的比容量上升,可以进一步扩大电池的能量密度,以及电能储存能力会随着能量密度的增加而上升。
由于材料的原因,LFP具有最好的热稳定性。电热峰值超过350℃,化学成分在500℃至600℃之间开始分解。但其耐低温性能较差,3500mAh容量的pack,在-10℃环境下工作,100次充放电循环,已经处于报废状态。相比之下,NCM材料不稳定,往往在200度左右容易分解,电解液在高温作用下会迅速燃烧,引发连锁反应,甚至引起车辆自燃!所以很多搭载NCM锂电池的新能源汽车都需要加入温度保护和BMS来保护电池。所以在高温下,磷酸铁锂的安全性是比较高的。
冬季电动车续航里程衰减普遍,磷酸铁锂电池的低温性能比三元锂电池差。磷酸铁锂的温度下限为-20℃,低温环境电性能较差。LFP容量保持率在0℃时约为60-70%,-10℃时约为40-50%,-20℃时约为20-30%。NCM的低温极限为-30℃,低温放电性能好。在与LFP同等低温条件下,冬季续航里程衰减小于15%,明显高于LFP。冬季电动车续航里程衰减普遍,磷酸铁锂的低温性能比三元锂电池差。
电池寿命是电池在反复充放电后的衰减,一般电动车充满电后,有效电量衰减到原来电量的80%以下,这就意味着需要更换电池了,更换标准与手机相同。
当然,电池组的寿命并不是单个电芯寿命的总和。作为组合,如果其中电池的性能高度一致,则电池组的寿命只能接近单个电池的寿命。
关于成本,LFP也有巨大的优势。它们不含贵金属(镍钴元素),因此生产成本更低。NCM使用多种镍、钴、锰材料,生产高镍电池对工艺环境要求比较严格,目前成本较高。
其次,近年来,锂、钴等金属资源面临紧缺问题,尤其是钴金属,价格暴涨,报价超过20万元/吨。而一吨电解镍的价格,现在也在11万元左右。于是,不少电池企业不得不转向811,提高镍含量,降低钴含量,从而降低成本。
结合能量密度、低温性能、安全性、使用寿命和成本这些因素,LFP和NCM各有优势,但谁胜谁负还真不好说。
在实际使用中,磷酸铁锂具有耐高温、安全稳定性强、价格低廉、循环性能更好等优点。原材料价格低廉,地球上有丰富的磷铁资源,不存在材料供应问题。
NCM在储能密度方面具有绝对优势,可满足消费者对电动汽车长续航里程的重要需求。在制造成本上,NCM的成本也在逐渐下降。
未来随着主机厂BMS的进一步迭代优化,NCM的热管理将得到更好的解决。可以预见的是,NCM电池组在长续航电动汽车中仍占主导地位。
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