Ein Vergleich von NMC / NCA Lithium-Ionen-Akku und LFP-Batterie
| Jerry Huang
Derzeit gibt es zwei Mainstream-Batterietechnologien auf dem Markt für vollelektrische Fahrzeuge, Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien und NMC/NCA-Lithiumbatterien. Diese beiden Batterietypen konkurrieren in vielen Anwendungsbereichen/Szenarien, und der härteste Wettbewerbsbereich ist die Elektrofahrzeugindustrie, die die größte Menge an Lithiumbatterien in China verbraucht.
Es gibt seit langem einen Vergleich zwischen diesen beiden Arten von Lithium-Ionen-Batterien. Der Vergleich der Kosteneffektivität kann leicht durchgeführt werden, indem die Preise und Marktrückmeldungen des Elektrofahrzeugs mit den oben genannten Batterien verglichen werden. Aber für die Batterieleistung werfen wir einen Blick auf einige Details der NMC/NCA-Batterie und der LFP-Batterie, indem wir Bedingungen festlegen und experimentelle Daten von ihnen zum besseren Verständnis beobachten.
Nach den Experimenten von Batterielabors, Elektrofahrzeugherstellern und Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien ist die Schlussfolgerung ihrer Vor- und Nachteile tendenziell klar, obwohl jeder Test subtile unterschiedliche Daten haben kann. Noch wichtiger ist, dass der Markt seine eigene Wahl getroffen hat und es immer noch weitergeht.
Energiedichte ---- Nach derzeitiger Technologie beträgt die Energiedichte handelsüblicher einzelliger NMC-Lithiumbatterien etwa 230 bis 250 Wh/kg, und die Panasonic NCA-Batterie erreicht etwa 322 Wh/kg; Während die Energiedichte von LFP-Lithiumbatterien im Jahr 2020 im Grunde um 130 bis 160 Wh/kg schwankt, können einige nahe 190 Wh/kg liegen, aber es ist sehr schwierig, 200 Wh/kg zu überschreiten (Gotion High-Tech erreicht mehr als das in Labor in diesem Jahr). NCA/NMC-Batterien werden hauptsächlich in Autos eingesetzt, die weniger Strom verbrauchen und eine hohe Geschwindigkeit und große Reichweite bevorzugen. Theoretisch können Autos, die NCA-Lithiumbatterien verwenden, weiter fahren als solche, die die gleiche Anzahl von LFP-Batterien verwenden; und LFP-Fahrzeuge werden derzeit vorzugsweise als Stadtbusse ausgewählt, da ihre Reichweite nicht groß ist und sie innerhalb einer kurzen Entfernung in Städten aufgeladen werden können, wo viele Ladestapel leicht gebaut werden können.
Raumbelegung ---- Wählen Sie BYD, wenn Sie Busse und Tesla für Autos wollen. Begünstigt durch eine höhere Energiedichte kann eine einzelne NMC/NCA-Batteriezelle die Hälfte des Platzes einsparen als eine LFP-Batterie, was für Autos mit begrenztem Platz sehr wichtig ist. Wir können es also auf dem kommerziellen Markt sehen, Tesla konzentriert sich auf NMC/NCA-Batterien und BYD produziert LFP-Batterien. So gibt es auf dem chinesischen Elektrofahrzeugmarkt ein Sprichwort: „Wählen Sie BYD, wenn Sie Busse und Tesla für Autos wollen“. In diesem Jahr, im März 2020, kündigte BYD sein neues LFP-Batteriepaket an, das 50 % Platz gegenüber seinem vorherigen Paket einspart, und erzielte positive Verkäufe mit seiner Han-EV-Limousine, die mit der Blade-Batterie ausgestattet war. Gleichzeitig stellte Tesla auch sein neues Modell 3 vor, das mit einer LFP-Batterie von CATL betrieben wird.
Sicherheit ---- Am wichtigsten ist, dass der Grund für die Wahl der LFP-Batterie für Stadtbusse das wesentliche Anliegen der Sicherheit ist. Seit der Markteinführung des Tesla Model S kam es zu vielen Brandunfällen mit Tesla-Autos von Verbrauchern, obwohl die direkte Brandursache unterschiedlich sein kann. Ein Grund dafür ist, dass das Batteriepaket von Tesla aus mehr als 7.000 Einheiten von Panasonic / Tesla NCA-Lithiumbatterien besteht. Wenn diese Einheiten oder das gesamte Batteriepaket einen internen Kurzschluss haben, können sie offene Flammen oder sogar große Brände erzeugen, insbesondere bei Autounfällen; Gott sei Dank verbessert es sich. Während LFP-Material viel weniger wahrscheinlich brennt, wenn es auf einen Kurzschluss trifft, und seine Hochtemperaturbeständigkeit viel besser ist als die von NCA/NMC-Lithiumbatterien.
Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturbeständigkeit ---- Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP) hat eine bessere Leistung für ihre Hochtemperaturbeständigkeit, während NCA / NMC für ihre Niedrigtemperaturbeständigkeit besser ist. Lassen Sie mich ein Beispiel vorstellen. Bei einer Temperatur von -20℃ kann die NMC-Lithiumbatterie 70,14 % ihrer Kapazität abgeben; während die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP) nur 54,94 % abgeben kann. Das Entladespannungsplateau der NMC-Lithiumbatterie ist viel höher und beginnt bei niedriger Temperatur früher als das der LFP-Batterie. Daher ist die NMC-Batterie die bessere Wahl für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen.
Ladeeffizienz ---- Die Ladeeffizienz der NMC/NCA-Lithiumbatterie ist höher als die der LFP-Batterie. Das Laden von Lithium-Batterien erfolgt nach Strom- und Spannungssteuerungsverfahren. Das heißt, das Laden mit konstantem Strom wird zuerst angewendet, wenn der Strom und die Ladeeffizienz vergleichsweise hoch sind. Nachdem die Lithiumbatterie eine bestimmte Spannung erreicht hat, schaltet das Ladegerät auf die zweite Stufe des Ladens mit konstanter Spannung um, in diesem Zeitraum sind der Strom und die Ladeeffizienz niedrig. Um die Ladeeffizienz einer Lithiumbatterie zu messen, verwenden wir ein Verhältnis zwischen der Konstantstrom-Ladekapazität und ihrer vollen Kapazität, das sogenannte „Konstantstromverhältnis“. Die experimentellen Daten zum Konstantstromverhältnis zeigen, dass es kaum einen Unterschied zwischen NMC/NCA- und LFP-Batterien gibt, die sie bei einer Temperatur von weniger als 10℃ laden, aber bei einer höheren Temperatur ist es ganz anders. Hier ist ein Beispiel: Wenn wir sie bei 20 ° C aufladen, beträgt das Konstantstromverhältnis der NMC-Lithiumbatterie 52,75 %, was fünfmal so hoch ist wie das der Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LFP) (10,08 %).
Lebensdauer ---- Die Lebensdauer von Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien ist besser als bei NMC/NCA-Lithiumbatterien. Die theoretische Lebensdauer der NMC-Lithiumbatterie beträgt 2000 Zyklen, aber ihre Kapazität lässt schnell nach, um 60 % zu halten, wenn sie 1000 Zyklen läuft; Selbst die bekannteste NCA-Batterie von Tesla kann nach 3000 Zyklen nur 70 % ihrer Kapazität aufrechterhalten, während die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LFP) nach 3000 Zyklen noch 80 % ihrer Kapazität beibehält.
Der obige Vergleich gibt ein grobes Bild über die Vor- und Nachteile von NMC/NCA-Akkus und LFP-Akkus. Die LFP-Lithiumbatterie ist sicher, mit langer Lebensdauer und guter Beständigkeit gegen hohe Temperaturen; und NMC/NCA-Lithiumbatterien haben eine hohe Energiedichte, ein geringes Gewicht, einen effizienten Ladevorgang und eine gute Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen. Diese Unterschiede machen sie zu zwei Hauptwahlen auf dem Markt für verschiedene Anwendungen.
Heutzutage wählen NMC- (Ni-reiche Typen) und NCA-Batteriehersteller Lithiumhydroxid-Monohydrat-Batteriequalität als Lithiumquelle für Kathodenmaterial. Bei der Produktion von LFP-Batterien nach dem hydrothermalen Verfahren wird ebenfalls Lithiumhydroxid verwendet, obwohl die meisten Hersteller von LFP-Batterien Lithiumcarbonat wählen. Hier ist ein Bild des Lithiumhydroxidverbrauchs auf dem chinesischen Markt im Jahr 2018 als Referenz. 