磷酸铁锂和锰酸锂的性能比较
卢建国 喻纬冰 黄震宇
摘要：随着世界各国对新能源电池产业的政策倾斜，锂离子动力电池作为21世纪发展的理想能源，越来越受到大家的关注。作为正极材料磷酸铁锂和锰酸锂各自存在的优势和劣势，本文希望通过对磷酸铁锂和锰酸锂的性能的比较分析，给它们一个公正和客观的评价。
关键词：锂离子动力电池 磷酸铁锂 锰酸锂 倍率 循环 低温
摘随着世界各国对新能源电池产业的政策倾斜，锂离子动力电池作为21世纪发展的理想能源，越来越受到大家的关注。自锂离子电池在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用以后，最近两三年中，世界一流锂电企业对锂离子动力电池商业化生产的成功，不仅给UPS、移动激光电源、移动照明电源、移动通讯设备、军事领域、航空航天领域的应用带来了实质进展，更给汽车行业以动力电源取代传统能源的愿望带来了希望。
如此广阔的市场前景，使得锂离子动力电池商业化生产成为人们最为关注的焦点。中国锂电行业的相关企业自然不会放过这个机遇，纷纷开始试制或批量生产锂离子动力电池。
生产锂离子动力电池必然要对正极材料进行选择。虽然从理论上讲，可以提供选择的正极材料品种繁多，
但是目前真正可以应用商业生产用途的锂离子正极材料很少，归纳下来只有磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料。如果考虑电池的安全和循环寿命，那么只有磷酸铁锂和锰酸锂可以胜任。它们之所以能够成为动力锂离子电池正极材料的首选，和它们的结构和性能有着密不可分的联系。通过世界各国材料研究人员不懈的努力，我们对磷酸铁锂和锰酸锂的结构和性能有了下面的一些基本认识。
比亚迪 铁电池磷酸铁锂结构图
锰酸锂结构图
磷酸铁锂和锰酸锂性能一览表
性能参数 锰酸锂 LiMn2O4 磷酸铁锂 LiFeP04
材料结构 尖晶石结构 橄榄石结构 理论容量（mAh/g） 148 170
实际容量（mAh/g） 100～120 130～140
导电率（S/cm） 10～6 10～10
振实密度（g/cm3） 2.2～2.4 1.0～1.4
比表面积（m2/g）0.4～0.812～20
工作电压平台(V) 3.7 3.3
工作电压范围(V) 2.5-4.2 2.8-3.6
根据上述研究数据，我们可以了解到磷酸铁锂和锰酸锂各自存在的优势和劣势，具体比较如下表所示：
磷酸铁锂 （LiFeP04）锰酸锂（LiMn2O4）优势 劣势 优势 劣势
常温和高温下循环
性能极佳 低温下循环性能极差常温和低温下循环性
能佳
高温下循环性能差
原材料丰富 制备技术不够成熟且
有专利保护 原材料丰富，制备技
术成熟
高性能材料的制备
技术尚不普及
材料环保，制备电池安全性能好 导电率和振实密度低材料环保，制备电池
安全性能好
未经改性的材料容
量较低
真正从事锂电工作的人们对上述表格的结论都很清楚，磷酸铁锂和锰酸锂做为锂离子动力电池的正极材料并不存在着谁优谁劣的巨大差异。但是对行外人士来说，就很容易被磷酸铁锂下列的几个特点所迷惑：
1）常温和较高温度下循环性能极佳。这是因为它具备橄榄石结构，该结构在室温直至80℃的情况下呈现出很好的稳定性。实验室制备的单体
电池在进行1C的循环测试时，有创下2000次的记录。
2）用它制备的锂离子动力电池在安全性能上表现良好。尽管这是因为其工作电压平台只有3.3V所致，但是人们往往忽视这一点。
3）原材料丰富。这一点很容易让人们联想到磷酸铁锂制备简单和低成本。
目前现在国内某些锂电企业正是凭借着行外人士的模糊认识，通过各种舆论手段拼命夸大磷酸铁锂的循环和安全性能，并将锰酸锂说得一无是处。如果仅仅是是个别的商业性炒作倒也无可厚非，但是当这种不负责任的做法逐渐被整个行业所默认时，就令人匪夷所思了。
本文希望通过对磷酸铁锂和锰酸锂的性能分析，还给它们一个公正和客观
的评价。
首先我们来看看锂电行业生产锂离子动力电池的情况。世界上生产锂离子动力电池最为成功的顶级锂电企业有美国A123、加拿大的E-One Moli、日本的Sony和Sanyo等。其中除了A123是使用磷酸铁锂作为正极材料以外，其他企业所使用的正极材料均是以锰酸锂为主要成分。再从2008年国际动力锂离子电池商业生产份额来看，以锰酸锂为主体正极材料的锂离子动力电池占了整个市场的90%以上。由此可见，锰酸锂正极材料到目前为止是世界一流锂电行业制备锂离子动力电池的首要选择。
中国的锂电行业目前对锂离子动力电池可以实现初步商业量产化的企业大约有：日本TDK投资的ATL、深圳的比亚迪、天津的力神、常州的江苏锰克和苏州的星恒等。其中除了深圳的比亚迪声称拥有“铁电池”外，其他公司生产的锂离子动力电池均是使用锰酸锂为主体的正极材料。
如果上述情况仍然不能让大家明白的话，我们再提供一些实例做进一步的说明。这里我们以江苏锰克电
池有限公司的锰系锂离子动力电池与国内河北某知名锂电公司以及深圳某锂电公司生产的磷酸铁锂锂离子动力电池做一些同等状态下的放电测试。测试过程和结果如下所示：
1．18650圆柱形样品测试前参数一览表：
电池样品来源 标称容量（mAh）测前重量（g）测前电压（V）测前内阻（m
Ω）
测试方
案
江苏锰克（A063）1500 41.234 4.161 20.0 倍率 江苏锰克（A063）1500 40.185 4.099 18.6 温度 江苏锰克（A014）1400 41.106 4.134 22.0 倍率 江苏锰克（A014）1400 40.510 4.103 22.5 温度 河北某锂电公司 1300 41.182 3.3484 18.2 倍率 河北某锂电公司 1300 40.798 3.438 17.8 温度 深圳某锂电公司 1100 40.752 3.341 16.9 倍率 深圳某锂电公司 1100 40.925 3.350 17.5 温度
2．18650圆柱形样品单体倍率放电测试程序：
测试环境温度： 23℃±2℃
充电电流1C*，
充电截止电压：锰克电池=4.2V，磷酸铁锂电池=3.65V
放电电流分别为1C*/5A/10A/15A/20A/30A，
放电截止电压：2.5V
*: 1C放电电流以电池样品标称容量为基准
3．18650圆柱形样品单体倍率放电曲线图
MNKE-A063 MNKE-A014
河北某锂电公司 深圳某锂电公司
对于动力电池来说，高倍率放电是一个非常重要的指标。通过上述倍率放电的测试可以发现，锰克公司锰酸锂系列的动力电池可以承受高达30A的电流放电。而深圳某公司的磷酸铁锂动力电池最大承受的放电电流为15A，河北某公司的产品则更差些，只能承受10A的放电电流。同时在承受大电流放电的时候锰酸锂系列的电池依旧是可以达到1400mAh以上，而其他公司生产的磷酸铁锂动力电池在超过10A电流放电时，容量达不到900mAh。值得注意的是：磷酸铁锂动力电池均没有达到制造公司所给出的标称容量，也就是说，它们的实际容量在1C 放电的情况下只有1000mAh左右。
这样的结果意味着什么呢？电动工具的制造商们一定会很清楚。因为比较专业的电动工具其正常工作电流通常在15-20A，如果遇到堵转的话，瞬时工作电流将达到50-60A左右。上述电池中，除了江苏锰克电池有限公司的锰系锂离子动力电池可以胜任这样的工作要求以外，其它电池均远达不到专业电动工具的基
本工作指标。
也许有人会说，单节磷酸铁锂电池电压容量达不到，串并联起来不就可以了吗？话是不错的，但是串并联后大大增加了的使用量，增加了体积和重量，无论是成本上还是使用上都带来不利因素，从上面的数据可以看出MNKE电池容量是其他公司锂离子电池的1.5倍。相对而言，MNKE电池更容易成为电动工具
制造商的首选。
4．18650圆柱形样品单体温度放电测试程序：
充电电流1C*，
充电截止电压：锰克电池=4.2V，磷酸铁锂电池=3.65V
放电电流：1C*
放电截止电压：2.5V
放电温度：-20℃/-15℃/-10℃/23℃
*: 1C放电电流以电池样品标称容量为基准
5．18650圆柱形样品单体温度放电曲线图
MNKE-A063 MNKE-A014
河北某锂电公司 深圳某锂电公司
比较可以看出锰克锰酸锂电池在-20℃以下可以正常放电，而河北和深圳的磷酸铁锂电池在-20℃时不能放电，在-10℃的情况下已经不能正常放电，放出的容量仅为标称容量的30％，同时工作电压平台倾斜不稳，根本不能提供正常的工作的效能。
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