LFPと三元電池の違いは何ですか?

新エネルギー市場の急速な発展に伴い、中核電源であるリチウム電池の種類もますます多様化しています。その中で、リン酸鉄リチウムと三元リチウムは現在、電池市場で最も広く流通している 2 つの電池です。以下では、これら 2 種類のバッテリーの紹介に焦点を当て、その違いを理解します。

リン酸鉄リチウム材料と電池

リン酸鉄リチウム電池の正極材料は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）である、オリビン型構造を持っています。この材料は安価で環境に優しく、無毒で安全性が高いです。ただし、電子伝導性が比較的低いため、バッテリーの充放電性能に影響を与える可能性があります。 LiFePO4 材料の充電および放電プロセスには主に LiFePO4 相と FePO4 相間の転移が含まれ、体積変化率が小さいため、材料は非常に安定しています。したがって、リン酸鉄リチウム材料と電池の安全性と安定性には疑いの余地がありません[35]。

図1-リン酸鉄リチウム材料のモデル図

リン酸鉄リチウム電池には主に次の特徴があります:

(1) リン酸鉄リチウム電池のサイクル性能は優れており、エネルギー電池のサイクル寿命は 3000 ～ 4000 回にも及び、定格電池のサイクルは数万回に達することもあります。
(2)リン酸鉄リチウム電池は安全性能に優れており、高温でも比較的安定した構造を維持できるため、安全で信頼性が高く、電池が変形・破損した場合でも発煙がありません。 、火災などの事故


一方、リン酸鉄リチウム原料資源は比較的豊富であり、材料と電池のコストを大幅に削減します。同時に、鉄およびリン元素は環境に優しいため、リン酸鉄リチウム材料および電池は環境を汚染しません。しかし、LiFePO4 材料の構造特性により、この材料のイオン伝導性と電子伝導性が低いことが決まり、温度が低下すると電子移動抵抗と電荷移動抵抗の両方が急速に増加し、低温での電池性能が低下します。[63]。
三元系材料と電池

三元系リチウムイオン電池(NCM)とは、ニッケル、コバルト、マンガンの3つの遷移金属酸化物を正極材料として使用するリチウムイオン電池を指します。コバルト酸リチウム、ニッケル酸化リチウム、マンガン酸化リチウムの利点を組み合わせているため、その性能は上記の単一成分の正極材料よりも優れています。実験分析によると、価数の異なる3つの元素が超格子構造を形成しており、3つの成分間に明らかな相乗効果があり、材料がより安定しており、放電プラットフォームが3.7V/3.8Vと高いため、これが考えられます。最も有望な正極材料の1つであると考えられています。三元電池は、高いエネルギー密度、優れた安全性と安定性、高率放電のサポート、適度なコスト上の利点など、優れた電気化学的特性を備えています。民生用デジタル電子製品、産業機器、医療機器などの中小型リチウムイオン電池分野で広く使用されており、知能ロボット、AGV物流などのパワーリチウムイオン電池分野でも高い発展性を示しています。車、ドローン、新エネルギー車など。

三元リチウムは、正極材料の元素比に応じて主に次のタイプに分類されます: NCM111、NCM622、NCM811、 NCM523、等

図 2-LNO、LCO、LMO 間の三元系の状態図

2つの材料と電池の比較分析

• エネルギー密度

リン酸鉄リチウム材料と比較して、三元材料は放電比容量が高く、平均電圧が高いため、三元電池の質量比エネルギーは一般にリン酸鉄リチウムよりも高くなります。さらに、リン酸鉄リチウム材料の真密度が低く、粒径が小さく、炭素コーティングが施されているため、磁極片の圧縮密度は約 2.3 ～ 2.4 g/cm3 ですが、三元磁極片の圧縮密度は 2.3 ～ 2.4 g/cm3 に達します。 3.3 ～ 3.5 g/cm3 であるため、三元材料と電池の体積比エネルギーもリン酸鉄リチウムの体積比エネルギーよりもはるかに高くなります。

• セキュリティ

安全性の観点から、リン酸鉄リチウム材料の主構造は PO4 であり、その結合エネルギーは三元材料 MO6 八面体の M-O 結合エネルギーよりもはるかに高くなります。完全に充電されたリン酸鉄リチウム材料の熱分解温度は約 700 ℃です。対応する三元材料の熱分解温度は 200 ～ 300 °C であるため、リン酸鉄リチウム材料の方が安全です。電池の観点から見ると、リン酸鉄リチウム電池はすべての安全性テストに合格できますが、三元電池は鍼治療や過充電などのテストに簡単に合格することができず、構造部品や電池設計から改善する必要があります
。

• 動力性能

リン酸鉄リチウム材料の Li+ の活性化エネルギーはわずか 0.3 ～ 0.5 eV であり、その結果、Li+ 拡散係数は 10-15 ～ 10-12 cm2/s 程度になります。電子伝導率とリチウムイオン拡散係数が非常に低いため、LFP の出力性能が低下します。三元材料のＬｉ＋拡散係数は約１０−１２〜１０−１０ｃｍ２／秒であり、電子伝導性が高いため、三元電池はより優れた電力性能を有する。

• 温度適性

リン酸鉄リチウム材料の低い電子伝導性とイオン伝導性の影響を受け、リン酸鉄リチウム電池の低温性能は劣ります。常温と比較すると、-20℃で放電したリン酸鉄リチウム電池の容量維持率は約60％にすぎないが、同じシステムの三元電池では70％以上に達する可能性がある
。

• コストと環境要因

三元系材料にはNiやCoなどのレアメタルが含まれており、リン酸鉄リチウムよりも高価です。材料と電池技術の向上により、三元系およびリン酸鉄リチウム電池のコストは大幅に低下しました。現在、三元系電池の市場価格はリン酸鉄リチウム電池よりも高い。同時に、環境に優しいFeおよびP元素と比較して、三元材料および電池に含まれるNiおよびCo元素は環境への汚染が大きくなります。上記の要因と組み合わせると、環境管理と三元材料と電池の廃棄物リサイクルの需要がより緊急になっています。

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