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镍钴电池与锂离子电池的比较:优缺点和区别

lithium-ion电池目前是大多数电动车所使用的动力来源,无论是像rivian r1s这样坚固的suv,还是像太阳能电动车aptera ev这样轻巧的未来设计。

这些电池通过锂离子从负石墨阳极流向正极来产生能量。工程师利用不同的金属制造正极,以实现更长的电池寿命和改善的行驶里程。

镍钴酸锂正极的锂离子电池是当今最常见的电池。然而,成本和安全问题使得磷酸铁锂电池(简称磷酸铁锂电池)更具吸引力。

从俄罗斯对乌克兰的长期入侵到环境问题,都推动了磷酸铁锂的研究的增加。特斯拉已经在其半数车型中使用了lfp磷酸铁锂电池,包括特斯拉model 3电动轿车。

以下是您需要了解的这两种主要电动车电池发展方向的优缺点。

镍钴酸锂电池(nmc等) 磷酸铁锂电池(lfp)
充电速度 更快 更慢
续航里程 更远 更短
价格 昂贵 便宜
起火风险 更高的起火风险 较低的起火风险
热失控温度 410° f 518° f
最大安全充电量 80% 100%
寿命 1,500-2,000个充电循环 2,000个以上的充电循环

镍钴酸锂电池vs磷酸铁锂电池:5个必知事实

  • 镍钴酸锂和磷酸铁锂锂离子电池工作原理相同,但使用不同的正极材料。
  • 多年来,镍钴酸锂更受青睐,因为它提供了远距离行驶,这是一种令人向往的电动车特性。
  • 由于成本较低,磷酸铁锂目前正在被用于更经济实惠的车辆上。
  • 镍钴酸锂更容易发生热失控和电池火灾,尽管两种类型都可能发生燃烧。
  • 磷酸铁锂电池正在进一步发展为m3p电池,可能会超越目前的两种类型。

什么是镍钴酸锂电池?

电动汽车公司通常在他们的电动汽车中使用镍钴酸锂电池,因为这些电池提供了长续航里程。

钴大大提高了能量密度。简单来说,使用包含该金属的正极的电池可以在一次充电中走得更远,并且充电更快。

两种常见的正极材料包括锂镍锰钴氧化物(nmc电池)和锂镍钴铝氧化物(nca电池)。

nmc电池的最大优势是高能量密度。镍钴合金可以轻松吸收和释放锂离子,因为它们在阳极和正极之间来回传输以释放或重新充能能量。

一项2020年的castrol调查显示,司机更有可能购买续航里程达320英里或更长的电动汽车。电动汽车制造商有动力制造续航里程更长的电动汽车以吸引更多买家。

cobalt(钴)的高能量密度使电池能够轻松构建起具有长里程和闪电般快速充电能力的电池。它还有助于减轻重量,因为电动车(ev)通常比内燃机车辆重数千磅。公司经常建议将镍钴电池充电至70%至80%,以避免降解,因为100%充电时降解速度更快。

nmc电池充电速度更快,续航里程更长。

©black_kira/shutterstock.com

什么是磷酸铁锂电池?

磷酸铁锂(lfp)电池使用磷酸铁锂阴极执行与释放或充电能量相同的基本锂离子“跷跷板”。

磷酸铁锂阴极不能像镍钴阴极那样高效地吸收离子。它们的能量密度较低,需要在结构上进行权衡。

使用lfp的电动车电池设计师可以选择制造能量密度较低的电池,这会导致充电速度较慢和续航里程较短。或者他们可以制造更大更重的电池,以实现更快的充电速度和更长的续航里程。增加电池组的体积会减少车内空间,强迫进行设计妥协,或者仅仅使车辆更重。lfp电池电池单元的重量比nmc电池重20%至40%,这取决于它们是否有铝或钢的外壳。

然而,尽管能量密度较低,磷酸铁锂电池具有多个优点。它们在损坏或高温下仍然稳定,使其在事故中不太可能发生火灾。

回收lfp电池更容易,因为其中使用的金属和矿物质比镍钴阴极更少有毒。它们还可能有更长的有效寿命。

lfp电池充电速度较慢,单次充电续航里程不如nmc电池长,但被认为更安全。

©black_kira/shutterstock.com

镍钴电池与磷酸铁锂电池:主要区别

成本

分析师指出,尽管地壳中的钴很多,但提取和加工钴却十分困难和昂贵,cnbc报道称。供应商每次只提供少量钴,导致价格上涨。

监管组织还将钴称为“冲突矿产”,它在刚果提取,提取期间发生许多人权侵害。同样,由于乌克兰战争,政府对俄罗斯镍实施禁令可能会使镍价格上涨。

另一方面,铁是地壳中最丰富的矿物质。ihi terrasun solutions报告称,每千瓦时铁酸锂或lfp电池比镍钴电池便宜20%至30%。terrasun补充说,当考虑到支持电池的整个电动车系统时,降价可能仅为5%至15%。无论如何,即使是最低5%的降价也是成本节约的重大倍增,这将应用于数百万辆电动车的生产。

成本是特斯拉转向lfp电池用于其低端短程车辆的主要因素。埃隆·马斯克的公司仍然领导着电动车行业,继续为长程电动车使用镍钴电池。铁酸锂电池可能有助于推动更多面向普通驾驶员的经济型电动车的时代。

能量密度

镍钴电池在单位重量时仍然比磷酸铁锂电池具有更高的能量密度。电池的重量和体积越大,电动汽车内部就越少空间容纳其他物品。在某些情况下,更大更重的电池意味着内部的空间和腿部空间更少。相比于其lfp电池竞争对手,镍钴电池提供更长的续航里程和更快的充电速度。

然而,特斯拉目前正在推动使用lmfp电池,这是一种使用锰的更先进的磷酸铁锂电池。insideevs报告称,这些电池几乎与lfp电池一样便宜,但续航里程提高了15%至20%。这些阴极的进展可能会减少能量密度差距,使磷酸铁锂对于长续航里程的电动汽车更具可行性。

研究人员正在开发使用lfp电池技术为基础的m3p电池。这种新型电池将锌、镁和铝代替铁。科学家们认为,这可能会创造出一种续航里程为435英里的电动汽车电池,同时仍然比镍钴电池更便宜。特斯拉可能会在2024年在一些市场推出搭载m3p电池的电动汽车。

安全性

所有的锂离子电池在事故中损坏或在充电过程中超载时都可能燃烧得很猛烈。火灾在统计上非常罕见,但由于其难以扑灭而成为新闻头条。

然而,不同的电池结构之间的热失控温度是不同的。热失控导致电池点火是指电池温度升高到超过某个阈值。根据battery university的数据,典型的镍钴nmc电池的热失控温度为410华氏度。另一方面,磷酸铁锂电池的热失控温度为518华氏度。

此外,磷酸铁锂电池在100%充电时仍保持稳定,但镍钴电池在充电过程中可能会升温达到热失控点。许多设计师和科学家认为,将镍钴电池充电到80%并停止充电是更安全的选择。这个因素在一定程度上抵消了镍钴的更高能量密度。总体而言,磷酸铁锂lfp电池及其m3p电池衍生品更安全。

寿命

研究表明,磷酸铁锂电池的寿命可能远远超过nmc电池。

2020年,sandia国家实验室的研究人员进行了实验,并发现磷酸铁锂电池通常可以持续3000至4000个循环。在此之后,电池失去了超过80%原始电荷的能力。镍钴电池只需1000至2000个循环就会达到类似的衰减。

数据并不像乍一看那样简单明了。就年份而言,磷酸铁锂电池的寿命不会是镍钴电池的两倍,因为它们的电荷容量较低。这意味着在一段给定的时间内需要更频繁地进行“循环”(放电和充电)。尽管如此,科学家们认为磷酸铁锂电池的总体寿命更长。

寒冷天气下的充电

在寒冷天气下,镍钴电池的充电和工作性能优于磷酸铁锂电池。

虽然磷酸铁锂电池在高温下工作正常,而nmc电池可能会出现故障,但nmc在抗寒性方面更强。

回到2020年,中国新型lfp电池的特斯拉车主报告称,在寒冷的天气里,他们的磷酸铁锂动力电动汽车充电时间更长。在许多情况下,充电到100%变得不可能,torque news报道。驾驶员还表示实际续航里程远低于宣称的里程。

一些互联网文章称,下降到冰点(32°f)会使磷酸铁锂lfp电池的续航里程降低10%至20%。在零下4°f的寒冷温度下,续航里程似乎下降了40%。虽然这些温度在西海岸、南部或西南部比较罕见,但它们在冬季的平原州并不少见。

镍钴电池的历史

所有锂离子电池,包括镍钴和磷酸铁锂,都有共同的起源。英国研究人员迈克尔·斯坦利·威廉汉姆(michael stanley whittingham)在20世纪70年代开发出了这种可充电电池。后来的科学家们在20世纪70年代、80年代和90年代进行了进一步的改进。

1998年,五位科学家在波士顿第194次电化学会议上宣布了nmc正极材料的发明。德国跨国化学公司巴斯夫(basf se)于2011年开始大规模商业生产。

磷酸铁锂电池的历史

同样的科学研究导致了lfp磷酸铁锂电池的开发。尽管科学家们几十年来一直知道磷酸铁锂正极材料,但他们最初无法解决其低电导率的问题。

法国研究人员米歇尔·阿尔芒(michel armand)与长期从事美国锂离子电池研发的约翰·古登罗(john goodenough)合作,在2003年找到了解决方案。阿尔芒和古登罗发现使用较小的铁和磷酸盐颗粒有所帮助。涂覆碳纳米管以增加电流流动使lfp电池正极材料变得实用。研究人员至今仍在继续研究这种电池。

镍钴 vs 磷酸铁锂电池:哪个更好?

镍钴nmc和nca电池具有长续航里程和快速充电的优点,这对于电动汽车买家来说非常有吸引力。磷酸铁锂电池通常具有较短的续航里程和较低的能量密度。然而,它们也更安全和更持久。

在特斯拉的领导下,它们也作为新型m3p电池的研究基础。研究人员使m3p电池的安全性和成本几乎与lfp相当,但续航里程超过400英里。

哪种电池更好取决于车主的所在地和使用意图。

镍钴电池在寒冷气候中效果更好,充电速度更快,且保持了大部分续航里程。对于需要具有非常快速充电能力的长续航电动汽车的人来说,它们也非常适用。磷酸铁锂电池可能更适合生活在温暖气候地区且不需要长续航里程的驾驶员。对于这些电动汽车车主来说,更好的安全性、更长的电池寿命和可能更实惠的车辆可能是更好的选择。

接下来…

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Written by 小竞 (编辑)

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