【干货】磷酸铁锂VS三元! 材料及电池超详细对比！
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来源：锂电联盟会长
近年来，磷酸铁锂和三元技术路线之争从未停歇，本文结合两种正极材料及电池的特点，对它们在不同领域的应用进行了对比分析。
1. 磷酸铁锂材料及电池
磷酸铁锂电池主要有以下特点：
(1) 磷酸铁锂电池循环性能极好，能量型电池循环寿命可长达3000～4000次，倍率型电池的循环甚至可达上万次；
(2) 磷酸铁锂电池具有优异的安全性能，即使在高温下仍可保持较稳定的结构，使得磷酸铁锂电池安全可靠，甚至在电池出现变形损坏时也不会出现冒烟、起火等安全事故。
另一方面，磷酸铁锂原料资源较为丰富，极大地降低了材料及电池的使用成本，同时由于铁磷元素对环境友好，磷酸铁锂材料及电池对环境无污染。但是，LiFePO4材料的结构特性决定材料具有较低的离子和电子电导率，而且随着温度降低，电子转移阻抗和电荷迁移阻抗均迅速增加，导致其电池低温性能较差。
2. 三元材料及电池
自Li(NixCoyMn1-x-y )O2材料被首次报道之后，引起研究者的高度关注。为减少Co涨价带来的成本压力，国内外已开展了三元材料低Co甚至无Co化的研究，此类材料可能成为未来的主流正极材料。
按Ni含量比例可将三元材料和电池分为常规型和高镍型。随着Ni含量的提高，可脱嵌锂增加，材料容量及电池能量密度提高，因此高镍型三元材料和电池是当前研究的热点并充满挑战。
首先，由于Ni2+半径与Li+半径非常接近，随着Ni含量提高，高镍三元材料在高温烧结制备时产生Li/Ni混排概率急剧加大，而进入MO6层的锂脱嵌较为困难，阻碍 Li+传输能力，导致比容量降低及循环性能降低并很难逆转。
其次，随着Ni含量的提高，材料中Ni3+的比例也随之提高，而Ni3+非常不稳定，暴露在空气中非常容易与空气中的水分和CO2反应生成表面残碱，导致三元材料容量和循环性能损失。除此之外，过多的表面残碱会使得三元电池产气严重，影响其循环性能、安全性能等。
第三，高价Ni元素还具有较高的催化活性和氧化性，导致电解液分解也引起电池产气。为解决上述难题，前驱体定制化、烧结工艺个性化、离子掺杂、表面包覆改性、湿法处理及生产环境管控成为三元材料厂家的普遍选择。
对于三元电池来说，其性能特点主要有较高的材料质量比容量、质量和体积比能量，较好的倍率性能和低温性能，但由于结构的稳定、镍钴资源的稀缺等，其循环性能较好、安全性能一般，成本较高。
3. 两种材料及电池对比分析
3.1 能量密度
与磷酸铁锂材料相比，三元材料的放电比容量较高，且平均电压也更高，因此三元电池的质量比能量一般较磷酸铁锂高。此外，由于磷酸铁锂材料的真密度偏低、颗粒较小和碳包覆等原因，其极片压实密度约为2.3～2.4 g/cm3，而三元极片的压实密度可以达到3.3～3.5 g/cm3，因此三元材料及电池的体积比能量也远高于磷酸铁锂。
3.2 安全性
从安全性角度来讲，磷酸铁锂材料主体结构为PO4，其键能远高于三元材料MO6八面体的M-O键能，满电态的磷酸铁锂材料的热分解温度为700 ℃左右，而相应的三元材料的热分解温度为200～300 ℃，因此磷酸铁锂材料更加安全。从电池角度来对比，磷酸铁锂电池可以通过全部的安全测试，而三元电池的针刺和过充等测试并不能轻易通过，需要从结构件及电池设计端等进行改进。
3.3 功率性能
磷酸铁锂材料Li+的活化能只有0.3～0.5 eV，导致其 Li+扩散系数在10-15～10-12 cm2/s 数量级。极低的电子电导率和锂离子扩散系数导致了LFP功率性能不佳。而三元材料的Li+扩散系数约为10-12～10-10 cm2/s，并且电子电导率高，因此三元电池具有更好的功率性能。
3.4 温度适用性
受磷酸铁锂材料较低的电子电导率与离子电导率的影响，导致磷酸铁锂电池低温性能较差。磷酸铁锂电池-20 ℃放电与常温相比，容量保持率仅为60%左右，而同体系的三元电池可达到70%以上。
3.5 成本及环境因素
表 1 磷酸铁锂材料和三元材料综合对比分析
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