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動力電池性能提升空間有多少?
發布時間:2019-04-12 16:24:00

動力電池性能提升空間有多少?


新能源汽車之所以沒有完全普及,主要受制于動力電池產品性能、質量和成本。下面從物理和化學途徑聊一下動力電池性能提升空間,并對動力電池未來發展趨勢進行展望。


物理途徑


01圓柱電池


目前最成熟的技術就是18650電池,即通常所說的5號電池。特斯拉汽車的動力電池就是由7623顆5號電池串并聯組成。圓柱形電池由自動化設備卷繞而成,生產效率高,生產流程標準化,普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷,因為體積小,所以單體容量較小,且在高強度放電時,發熱量大;使用壽命短,電池循環次數在1000次左右。


針對18650電池的缺點,特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進,例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯,20700電池增加的尺寸大概為10%,而體積和能量儲存提升了1.33倍。20700電芯量產后,其動力電池包能量密度增加3-4%,成本下降5-10%。可見,圓柱電池的發展已經做到極致,再往上提升的空間不大。


02方形電池


方形鋰電池,顧名思義,其形狀為方形,方便疊加,也方便置于汽車之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點是結構簡單、能量密度高,國內普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝,制造效率高,安全性好。隨著新能源汽車工業的發展,未來新能源汽車也將如現在的常規能源汽車一樣大規模生產,這就涉及到標準化問題。現在的傳統燃油汽車,大多數零部件大多采用標準件,全球通用,這樣一來不僅降低了制造成本,也降低了研發成本。未來的大趨勢是全球采取統一尺寸,統一規格的方形電池。這將極大的推動動力電池的發展。降低動力電池的生產成本及研發成本,推動新能源汽車產業加速發展。美國卡內基梅隆大學的研究成果也證明:圓柱形電池進一步降低成本的空間很小,而方形電池則有很大的潛力。


03軟包電池將如現在的常規能


軟包電池,又稱聚合物鋰電池,其內部使用高分子膠態或固態電解質,區別于電解液。其電池形狀不固定,可以根據實際需求制作成各種形狀。目前在蘋果手機電池中廣泛使用。軟包電池目前價格昂貴,主要因為高分子電解質成本較高,其外包裝材料不同于普通電池,為鋁塑復合膜。其正負極材料與傳統鋰電池一樣。


由于采用鋁塑膜包裝,其安全性能得到較好提升,發生安全問題時,軟包電池一般會鼓氣裂開,而不會發生爆炸;軟包電池的優點還包括:質量輕、自耗電小、循環壽命長等。但是,軟包電池也有缺點,比如一致性差,成本高,容易漏液。作為一種新型動力電池,軟包電池未來提升空間很大。


04 物理途徑小結


對比分析以上提升動力電池性能的物理途徑來看,圓柱電池的發展已經遇到天花板,未來提升空間不大;軟包電池與方形電池將來會有較大的競爭力。動力電池降成本的重要途徑就是標準化與模塊化。未來全國動力電池若能建立統一標準、統一規格、統一形狀、統一尺寸以及批量生產,相信動力電池的生產效率將大幅提升,成本將大幅下降。例如,當年福特發明的標準化生產方式讓汽車的價格從2000美金降到了300 美金。在未來大規模使用新能源汽車過程中,方形電池是最具發展潛力的。它可以讓全國的新能源汽車都采用統一標準的方形電池,續航里程大的純電動汽車,方形電池可以疊加得多一些,續航里程短的混動汽車,方形電池可以疊加得少一些。電池封裝系統也可以全國統一標準,依據動力電池容量的不同,分別采取相應的電池封裝技術,將方形電池封裝起來。將方形電池與封裝技術結合起來,形成全國統一標準的方形電池封裝技術,將極大的降低動力電池的生產成品,提升動力電池性能。助力中國汽車工業實現彎道超車,達到世界頂尖水平。


化學途徑


01高鎳NCM 與NCA 正極材料


正極材料是動力電池能量的短板,只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g,而石墨負極材料的比容量高達400mAh/g。采用高容量的正極材料,能夠讓負極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美,電池最終能量密度的提升直接取決于正極材料比容量的提升。動力電池能量密度突破的關鍵就在于正極材料。


目前國內NCM111 和NCM 523 型三元正極材料產品已經量產,并開始大規模使用,而新型622NCM 則已逐步在部分動力電池企業中推廣,未來將逐步拓展至811NCM 以及NCA 材料。當然三元鋰電池也有自己的瓶頸,它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g,達到300mAh/g就已經是極限。三元鋰電池是目前動力電池廠商主攻的方向,未來將有新型的正極材料系統。


02 硅碳負極


動力電池的負極材料主要是硅碳負極,即在石墨材料加入硅,其理論能量密度高達4200mAh/g。例如,特斯拉在Model3 中采用了新型硅碳負極材料,特斯拉在傳統石墨負極材料中加入10%的硅,使其能量密度達到550mAh/g 以上。國內貝特瑞公司研發的S1000 型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g。負極材料目前沒有技術瓶頸,完全能滿足動力電池的各種需求。


03 隔膜性


隔膜在單體電池上主要用來隔開正負極,讓電解液能夠通過隔膜在正負極之間交換物質。受制于電池體積所限,以及提高電池能量密度的要求,動力電池隔膜需要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內部結構、內阻等,直接影響電池容量、安全性能等。優質隔膜對提升電池性能作用巨大。


隔膜技術有干法與濕法兩種制造工藝,干法成本較低但只適合小功率電池,濕法成本高但能適合大功率電池。早期,動力電池主要采用干法隔膜,目前濕法隔膜開始推廣使用,預計2020 年干濕法薄膜技術各占一半,分別應用于中低端與高端領域。隔膜工藝的核心技術掌握在日本旭化成公司手中。中國有大量企業生產隔膜,但無核心技術。旭化成干法現在可量產12 微米隔膜,濕法可量產6-7 微米。國內企業大多只能生產干法20-40 微米隔膜。對比與隔膜行業世界一流水平企業的差距,我國企業應該引進先進工藝設備,苦練內功,力爭取得突破。


04 新型電解液LiFSI


鋰電池電解液是電池中離子傳輸的載體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的。


鋰電池主要使用的電解質是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好,無爆炸危險,適用性強。在鋰電池電解質中添加LiFSI 后,可提高離子導電率及電池充放電特性。比如,反復充放電300 次后,1.2MLiPF6 的情況下放電容量保持率會降至約60%,而在1.0MLiPF6 中添加0.2MLiFSI 后,保持率可超過80%。目前LiFSI 已經進入商用,用此種電解質廢棄電池處理工作相對簡單,對生態環境友好,因此該類電解質的市場前景十分廣泛。


05 化學途徑小結


對比分析以上四種提升動力電池性能的化學途徑,未來提升動力電池比容量的關鍵點在正極材料。而正極材料目前是短板,補齊短板,動力電池的比容量提升將有質的飛躍。目前,全球廠商均集中力量研究三元鋰動力電池,在鋰正極中主要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調配三種元素之間的比例以提升電池性能。未來更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁,不斷調配實驗這三種材料間的配比,將會獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過與硅碳負極的適配,再搭配新型電解液LiFSI,并用更薄的濕法薄膜包裹,將使得新型動力電池的能量密度更高、環境更友好、安全性更高以及循環壽命更長。


動力電池展望


現有體系下,電池能量密度的理論極限為300Wh/kg,如果要達到2025 年,新體系動力電池技術取得突破性進展,單體比能量達500Wh/kg,有前景的方案包括固態鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學體系電池。


固態電池大規模商用的可能性最高,因為固態鋰電池和液態鋰電池在工作原理上并無區別,只是電解質為固態與液態的區別。由于固態電池不再使用石墨負極,而是直接使用金屬鋰負極,所以大大減輕負極材料用量,使得整個電池的能量密度明顯提高。目前實驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg 的全固態電池,安全性能也比較高,不過該種電池體積較小,成本較高,目前僅在蘋果手機等高端小巧設備上有應用。


鋰硫電池的能量密度最高,目前實驗室試制的鋰硫電池比能量密度可達500Wh/kg,硫作為正極材料理論比能量高達2600Wh/kg,且單質硫成本低、對于環境友好,但是,鋰硫電池在試制過程中有諸多技術難題無法突破,包括安全性、倍率性能和循環穩定性等。鋰硫電池應用前景廣闊,環境友好,如果試制成功,無異于一場革命,新能源汽車將會迅速取代傳統燃油汽車。


鋰空氣電池的續航里程最長,單次續航里程可達2000 公里,不僅如此,鋰空氣電池比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料,與空氣中的氧氣發生氧化還原反應而產生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10 倍,體積更小,重量更輕。但是鋰金屬過于活潑,碰見水蒸汽馬上會發生劇烈氧化還原反應,其安全性、穩定差。鋰空氣電池的應用還有諸多技術難關要攻克。


稿件來源: 中尚能量
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