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動力鋰電池提升能量密度有哪些方法?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年07月07日  

什么是電池能量密度


能量密度(Energydensity)是指在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量TImes;放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。


電池的能量密度越大,單位體積內存儲的電量越多。


圓柱形鋰離子電池結構圖


有關電池能量密度,現在我們都了解了它儼然是目前電池行業,甚至是電動汽車行業向前大跨步的最明顯的突破口,但是突破它,真的是很難啊!


△典型電池設計非活性物質(除引線等)的占比


據悉,電池的能量密度基本由電池的正負極決定的,但只是正負極活性材料也不能保證電池能發上電,得有很多非活性物質,比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。


我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質的含量,得出的能量密度與事實相差較大,誤導吃瓜群眾。其實,這部分相當重要,就拿過去十幾年的技術進步來說,電池能量密度的提升重要就是靠著活性物質占比的提升來實現的。


△能量密度的變化與預測


動力鋰電池提升能量密度的重要性


動力鋰電池在一定意義上代替了燃油車油箱,增大容量便可獲得更長的續航能力,不過現代汽車的結構設計早已固定不變,即使純EV正向研發,預留給動力鋰電池的布局空間也僅僅是前后軸之間的固定位置。


在無法改變布局空間的前提下,提升電池整體容量便是解決續航問題的基礎。實質上從13年開始至今,國產純電動汽車的續航里程,已經從150公里提升至400公里左右,在一次次刷新續航里程的背后。動力鋰電池往往會以更輕的整備質量,獲得更大的電池容量,作為核心升級的便是電池能量密度。


實質上,鋰離子電池是指以離子嵌入化合物為正極材質的電池總成。無論是三元鋰、還是磷酸鐵鋰離子電池。整體的充放電過程基本相同,不同的是不同材質追求的性能取向不同。


鋰離子電池重要由正極+電解液+負極組合而成,正極材質多采用含金屬鋰的化合物,負極大多采用石墨或碳材質,兩者之間的有機溶劑則是電解質。充電時,正極上分解成鋰離子,通過電解質進入電池負極,并且嵌入負極材質。放電時,嵌入負極材質的鋰離子通過電解質回流指正極,回到正極的鋰離子越多電池容量越高。


動力鋰電池提升能量密度的三大路徑


一、提升輕量化水平間接提高動力鋰電池能量密度


以前新能源汽車生產公司多采用鋼材料制作電動汽車動力鋰電池托盤,現在很多公司都在以鋁合金材料為主。鋁合金的密度為2.7g/cm3,無論在壓縮還是焊接等方面,鋁合金材質都已非常優秀。而鎂合金的密度為1.8g/cm3,碳纖維是1.5g/cm3,這些材料用來生產電池托盤,將可以極大地提高新能源整車的輕量化水平。王子冬認為,輕量化技術仍在不斷發展中,未來也將有更多輕量化材料問世。他表示,不僅應研究電池托盤材質的輕量化,從動力鋰電池單體到系統,都要考慮材質的輕量化問題,這樣才能最大限度地提高動力鋰電池的能量密度。


輕量化要減輕配件重量,但不能降低配件的強度,因此材料的堅固性要考慮。另外,采用更輕的材料,將會面對成本上漲的問題。因此在動力鋰電池成本還未大規模下降的情況下,實現整車輕量化的當務之急是研發出更可靠、經濟的輕量化材料。2016年,沃爾沃表示,假如將目前的電動汽車電池全部更換成新型輕量化材料,可以降低車重超15%,而且材料成本更低也更為環保。


二、糾結鐵鋰還是三元不如布局硅碳負極


作為國內兩大主流技術路線,近些年磷酸鐵鋰和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高,而補貼政策又更傾向于高能量密度產品,因此各大電池公司都將三元電池作為公司下一代產品的主力。但比亞迪股份有限公司總經理沈晞認為,雖然三元和鐵鋰兩者在單體能量密度方面相差較大,但在成組后的系統能量密度方面相差無幾,在成本和電池儲存難度上也無較大差異。所以沈晞建議公司在提升動力鋰電池能量密度的規劃上,可以考慮從動力鋰電池負極材料入手,在量產產品中應用硅材料(如氧化亞硅負極材料等),從而提升電池組的整體能量密度。


三、更改電池尺寸提升系統能量密度


更改電池尺寸依然是提升電池能量密度的有效方式。雖然特斯拉選擇18650技術路線成功吸引了國內眾多動力鋰電池公司的追隨,但由于18650電芯單顆容量小,普遍在2-4Ah左右,串并聯數量太多,單體失效風險概率較大,導致其在主流新能源乘用車和客車領域的應用受到一定限制。2017年,率先使用18650電池的特斯拉將目光轉向了21700電池并已經實現量產。


據特斯拉CEO馬斯克介紹,當使用21700電池的Model3汽車上市之后,將會重新審核是否選用21700電池制造ModelS和ModelX型號汽車。一旦審核通過,21700電池很有可能全面替代特斯拉汽車上的18650電池。據了解,特斯拉采用21700電池后,由于同等能量下,所需電池的數量減少約1/3,這將帶來整個pack內部金屬連接件數量的減少,從而進一步降低電池pack的重量,整車的能量密度將得到部分提升。而這種方式也為國內18650電池公司在提升能量密度和降成本方面供應了參考。據了解,目前國內18650電池公司基本上都對特斯拉的方式表示認可,并且也在進行相關布局。


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