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一文看懂—(三元锂、刀片、固态等)新能源汽车「电池」详解

发布时间:2022-09-18 15:49:36 来源:hth华体会官方注册 作者:华体会登陆地址

  上期文章讲了新能源汽车的种类:一文看懂—新能源汽车(HEV、PHEV、SHEV、EV)种类详解

  之所以会有混动汽车的存在,很大程度上是因为纯电动汽车的某些技术现状无法满足市场需求。但是因为纯电动汽车使用成本低,国家政策补贴,节能环保等因素,市场重心正在逐步向其转移。电动汽车想要崛起,首当其冲的就是要攻克汽车电池的质量和容量难关!

  知名的电动汽车厂商都在奋力研发革新着电动汽车的电池技术,可以说谁在电池技术上取得了突破性进展,谁就能够拥有无可匹敌的市场竞争力,从而快速占领市场。

  1799年,伏特把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片,用手触摸两端会感到电流刺激。伏特用这种方法成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。

  每个伏特电池包含两个半电池,这两个半电池是通过含有阴离子和阳离子的导电电解质串联的。

  国外自70年代开始探索民用的低压镍氢电池,现如今镍氢电池已经是一种成熟的产品,国际市场上年生产镍氢电池数量约7亿只。镍氢电池可靠性高,能量密度高,循环寿命高。

  我国制造镍氢电池原材料的稀土金属资源丰富,已经探明储量占世界已经探明总储量的80%以上。

  高压镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制,但主要为航天所用,不仅需要高压容器还需要贵金属作为反应材料,因此成本较高,很难普及民用。暂时还是无法作为纯电动汽车的动力电池来使用。

  镍氢动力电池才刚进入成熟期,是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被商业化的电池体系,混合动力电池绝大部分的市场份额为镍氢动力电池,最具代表性的例子是丰田普锐斯参数图片)。虽然质量比锂电池要好,使用起来也无污染,但是成本高、重量大、寿命较短。

  法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池,已经历了近150年的发展历程。广泛应用于通信、电力、军事、航海等领域。

  一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V,能放电到1.5V,能充电到2.4V。在应用中,经常用6个单格铅酸电池串联起来组成标称是12V的铅酸电池。还有24V、36V、48V等。

  铅酸电池一般都作为汽车的启动电池,还为一部分控制系统、电器系统提供,但是其不能够作为新能源汽车的动力电池,只能用于低速车。

  1970年,埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

  如今锂电池就霸占着目前全球动力电池和消费电池领域绝大部分市场,能作为目前消费电子、新能源汽车、储能等各个领域的主流电池,根本原因就在于锂电池综合性能最能满足用户需求。

  锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池,而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品。

  锂离子电池通常由正极、负极、隔膜、电解液和外包装组成,锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池能量密度大,循环寿命长。

  钴酸锂电池与三元锂电池都是属于锂离子电池的一种。现在用在电动汽车上的锂离子电池,主要就是这两种。由于电池正极对能量密度有着决定性作用,所以在电池命名规则上,多以正极材料来命名。

  自电动车行业发展以来,中国是全球磷酸铁锂最大的消费市场。磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂作为正极材料,碳作为负极材料的锂离子电池。其安全性能好、能力密度高、循环寿命长(2000次以上),比亚迪于2020年3月29日发布的“刀片电池”就是属于磷酸铁锂电池,体积利用率提升了50%以上。

  磷酸铁锂离子电池热稳定性好,针刺实验中,无明火,表面温度30℃-60℃,表现优异。但是在低温下性能受影响较大,且制造成本偏高。但是随着容量和规模的不断扩大,集成技术的不断成熟,储能系统成本将进一步降低当温度低于-5℃时,充电效率大幅降低,因此无法满足北方在冬季充电的需求。

  三元锂电池正极材料使用镍钴锰酸或者镍钴铝酸锂的三元材料作正极,石墨作为负极材料,能量密度极高,但安全性较差,对于要求续航能力较高的纯电动汽车而言,前景很广。典型车型:特斯拉Model3采用的21700型三元锂电池。宁德时代就是依靠三元锂电池异军突起。

  其实三元锂电池高温下稳定性不足,比较适合北方天气,低温时电池加倍稳定,三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下,轻易引发燃烧、爆炸等安全事故,始终无法通过针刺实验。

  电压平台高,能量密度高、循环性能好是三元锂动力电池的最大优势,但是安全性和循环寿命是三元锂电池的主要短板,尤其是高温安全性更是堪忧。

  储能密度和安全性是当前市场的最大需求,钛酸锂电池(92 wh/kg)和锰酸锂电池(100mAh/g)储能密度过低而被抛弃,钴酸锂是因为安全性较差而弃之不用,现如今纯电动汽车的最大“痛点”就是:“里程焦虑”与“续航焦虑”。而当前解决这个痛点主要有两种技术路线,即三元聚合物锂电池和磷酸铁锂电池。

  目前市场主流其实也就是三元锂电池与磷酸铁锂电池两种。纯电动汽车搭载最多的电池就是三元锂电池,此外就是磷酸铁锂电池。相较于磷酸铁锂电池(能量密度约150Wh/kg),在同等质量下三元锂电池的能量密度更大(≥210Wh/kg),可以实现更长的续航与更强的性能输出,而且占用的空间也更小。另外在低温下,尤其是在零下20摄氏度时,三元锂电池的表现更好。

  做个比较的话:高温安全性能:磷酸铁锂三元锂;能量密度:三元锂磷酸铁锂;低温性能:三元锂磷酸铁锂;循环寿命:磷酸铁锂三元锂;造价成本:磷酸铁锂三元锂。

  根据科学家的推断,锂离子电池的开发已经接近极限,能量密度很难超过300Wh/kg,而固态电池在近几年被视为可以继承锂离子电池地位的电池。可谓是电池界的“明星”势力,能量密度极高,可达300-400Wh/kg。由于是固体的原因,正负极之间的距离可以大大缩短,可以有效缩小电池的体积。此外在柔性化和安全性等各方面也都很出色。

  尽管如此,受制于生产效率和生产成本限制,现如今固态电池仍然不会被市场选择,但是可以预见固态电池势必成为未来锂电池发展的必经之路。