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来历:中尚能量

新动力轿车之所以没有彻底遍及,首要受制于动力电池产品功能、质量和本钱。下面从物理和化学途径聊一下动力电池功能进步空间,并对动力电池未来开展趋势进行展望。

物理途径

01圆柱电池

现在最老练的技能便是18650电池,即一般所说的5号电池。特斯拉轿车的动力电池便是由7623颗5号电池串并联组成。圆柱形电池由自动化设备卷绕而成,出产功率高,出产流程标准化,遍及率高。可是圆柱形电池也有其天然生成缺陷,因为体积小,所以单体容量较小,且在高强度放电时,发热量大;运用寿数短,电池循环次数在1000次左右。

针对18650电池的缺陷,特斯拉采纳增大电芯尺度的方法加以改进,例如特斯拉Model3顶用20700代替18650电芯,20700电池增加的尺度大约为10%,而体积和能量贮存进步了1.33倍。20700电芯量产后,其动力电池包能量密度增加3-4%,本钱下降5-10%。可见,圆柱电池的开展现已做到极致,再往上进步的空间不大。

02方形电池

方形锂电池,望文生义,其形状为方形,便利叠加,也便利置于轿车之中。其外壳一般是铝制壳或钢制作壳。其特点是结构简略、能量密度高,国内遍及率高。方形电池多选用卷绕式或叠片式工艺,制作功率高,安全性好。跟着新动力轿车工业的开展,未来新动力轿车也将如现在的惯例动力轿车相同大规模出产,这就涉及到标准化问题。现在的传统燃油轿车,大多数零部件大多选用标准件,全球通用,这样一来不只下降了制作本钱,也下降了研制本钱。未来的大趋势是全球采纳一致尺度,一致标准的方形电池。这将极大的推进动力电池的开展。下降动力电池的出产本钱及研制本钱,推进新动力轿车产业加快开展。美国卡内基梅隆大学的研讨成果也证明:圆柱形电池进一步下降本钱的空间很小,而方形电池则有很大的潜力。

03软包电池将如现在的惯例能

软包电池,又称聚合物锂电池,其内部运用高分子胶态或固态电解质,差异于电解液。其电池形状不固定,可以根据实践需求制作成各种形状。现在在苹果手机电池中广泛运用。软包电池现在价格昂贵,首要因为高分子电解质本钱较高,其外包装材料不同于一般电池,为铝塑复合膜。其正负极材料与传统锂电池相同。

因为选用铝塑膜包装,其安全功能得到较好进步,发作安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,而不会发作爆破;软包电池的长处还包含:质量轻、自耗电小、循环寿数长等。可是,软包电池也有缺陷,比方一致性差,本钱高,简略漏液。作为一种新式动力电池,软包电池未来进步空间很大。

04 物理途径小结

比照剖析以上进步动力电池功能的物理途径来看,圆柱电池的开展现已遇到天花板,未来进步空间不大;软包电池与方形电池将来会有较大的竞争力。动力电池降本钱的重要途径便是标准化与模块化。未来全国动力电池若能树立一致标准、一致标准、一致形状、一致尺度以及批量出产,信任动力电池的出产功率将大幅进步,本钱将大幅下降。例如,当年福特创造的标准化出产方法让轿车的价格从2000美金降到了300 美金。在未来大规模运用新动力轿车进程中,方形电池是最具开展潜力的。它可以让全国的新动力轿车都选用一致标准的方形电池,续航路程大的纯电动轿车,方形电池可以叠加得多一些,续航路程短的混动轿车,方形电池可以叠加得少一些。电池封装系统也可以全国一致标准,根据动力电池容量的不同,别离采纳相应的电池封装技能,将方形电池封装起来。将方形电池与封装技能结合起来,构成全国一致标准的方形电池封装技能,将极大的下降动力电池的出产制品,进步动力电池功能。助力我国轿车工业完成弯道超车,到达国际顶尖水平。

化学途径

01高镍NCM 与NCA 正极材料在未来大规

正极材料是动力电池能量的短板,只需正极材料比容量进步就能进步电池能量密度。正极材料的比容量一般为100-200mAh/g,而石墨负极材料的比容量高达400mAh/g。选用高容量的正极材料,可以让负极、隔阂、电解液用量之间的分配愈加完美,电池终究能量密度的进步直接取决于正极材料比容量的进步。动力电池能量密度打破的要害就在于正极材料。

现在国内NCM111 和NCM 523 型三元正极材料产品现已量产,并开端大规模运用,而新式622NCM 则已逐渐在部分动力电池企业中推行,未来将逐渐拓宽至811NCM 以及NCA 材料。当然三元锂电池也有自己的瓶颈,它的正极理论比容量的最大值是300mAh/g,到达300mAh/g就现已是极限。三元锂电池是现在动力电池厂商主攻的方向,未来将有新式的正极材料系统。

02 硅碳负极

动力电池的负极材料首要是硅碳负极,即在石墨材料参加硅,其理论能量密度高达4200mAh/g。例如,特斯拉在Model3 中选用了新式硅碳负极材料,特斯拉在传统石墨负极材料中参加10%的硅,使其能量密度到达550mAh/g 以上。国内贝特瑞公司研制的S1000 类型硅碳负极材料的比容量更是高达1050mAh/g。负极材料现在没有技能瓶颈,彻底能满意动力电池的各种需求。

03 硅碳负极

隔阂在单体电池上首要用来离隔正负极,让电解液可以经过隔阂在正负极之间交流物质。受制于电池体积所限,以及进步电池能量密度的要求,动力电池隔阂需求尽量轻、薄。隔阂功能决议了电池内部结构、内阻等,直接影响电池容量、安全功能等。优质隔阂对进步电池功能效果巨大。

隔阂技能有干法与湿法两种制作工艺,干法本钱较低但只合适小功率电池,湿法本钱高但能合适大功率电池。前期,动力电池首要选用干法隔阂,现在湿法隔阂开端推行运用,估计2020 年干湿法薄膜技能各占一半,别离使用于中低端与高端范畴。隔阂工艺的核心技能把握在日本旭化成公司手中。我国有很多企业出产隔阂,但无核心技能。旭化成干法现在可量产12 微米隔阂,湿法可量产6-7 微米。国内企业大多只能出产干法20-40 微米隔阂。比照与隔阂职业国际一流水平企业的距离,我国企业应该引入先进工艺设备,苦练内功,力求获得打破。

04 新式电解液LiFSI

锂电池电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的效果,是锂离子电池获得高电压、高比能等长处的确保。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的增加剂等质料,在必定条件下、按必定份额制造而成的。

锂电池首要运用的电解质是六氟磷酸锂。用含氟锂盐制成的电池功能好,无爆破风险,适用性强。在锂电池电解质中增加LiFSI 后,可进步离子导电率及电池充放电特性。比方,重复充放电300 次后,1.2MLiPF6 的状况下放电容量坚持率会降至约60%,而在1.0MLiPF6 中增加0.2MLiFSI 后,坚持率可超越80%。现在LiFSI 现已进入商用,用此种电解质抛弃电池处理作业相对简略,对生态环境友爱,因而该类电解质的市场远景非常广泛。

05 化学途径小结

比照剖析以上四种进步动力电池功能的化学途径,未来进步动力电池比容量的要害点在正极材料。而正极材料现在是短板,补齐短板,动力电池的比容量进步将有质的腾跃。现在,全球厂商均集中力量研讨三元锂动力电池,在锂正极中首要是参加镍、钴、锰三元素。并不断分配三种元素之间的份额以进步电池功能。未来更有出路的三元材料是镍、钴、铝,不断分配试验这三种材料间的配比,将会获得能量密度更大的三元锂电池。新式三元锂电池经过与硅碳负极的适配,再分配新式电解液LiFSI,并用更薄的湿法薄膜包裹,将使得新式动力电池的能量密度更高、环境更友爱、安全性更高以及循环寿数更长。

动力电池展望

现有系统下,电池能量密度的理论极限为300Wh/kg,假如要到达2025 年,新系统动力电池技能获得打破性发展,单体比能量达500Wh/kg,有远景的计划包含固态锂电池、锂硫电池和锂空气电池等新的电化学系统电池。

固态电池大规模商用的可能性最高,因为固态锂电池和液态锂电池在作业原理上并无差异,仅仅电解质为固态与液态的差异。因为固态电池不再运用石墨负极,而是直接运用金属锂负极,所以大大减轻负极材料用量,使得整个电池的能量密度明显进步。现在试验室已试制出能量密度为300-400Wh/kg 的全固态电池,安全功能也比较高,不过该种电池体积较小,本钱较高,现在仅在苹果手机等高端细巧设备上有使用。

锂硫电池的能量密度最高,现在试验室试制的锂硫电池比能量密度可达500Wh/kg,硫作为正极材料理论比能量高达2600Wh/kg,且单质硫本钱低、关于环境友爱,可是,锂硫电池在试制进程中有许多技能难题无法打破,包含安全性、倍率功能和循环安稳性等。锂硫电池使用远景宽广,环境友爱,假如试制成功,无异于一场革新,新动力轿车将会敏捷替代传统燃油轿车。

锂空气电池的续航路程最长,单次续航路程可达2000 公里,不只如此,锂空气电池比能量有望超越700Wh/kg。金属空气电池是以金属为燃料,与空气中的氧气发作氧化复原反响而发作电能的一种特别燃料电池。锂空气电池的比能量是锂离子电池的10 倍,体积更小,分量更轻。可是锂金属过于生动,碰见水蒸汽立刻会发作剧烈氧化复原反响,其安全性、安稳差。锂空气电池的使用还有许多技能难关要霸占。


来历:中尚能量

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