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如何加快提升电池性能

发布:2017-08-16 09:18:11作者:点击: ( 657 )

 随着新能源汽车销量的快速攀升,动力电池也得到了快速发展。相关统计数据显示,2016年中国锂电池总量达28GWh,涌现出了多个特大型电池生产企业,电池技术得到了长足进步。

总体上看,国内电池技术发展方向趋于明朗,为后续发展奠定了基础。与此同时,电池快充、寿命和能量密度等指标也有待进一步优化。

技术路线趋于明朗

三元、磷酸铁锂和钛酸锂等材料体系如何选择?圆柱、方型和软包结构又如何取舍?之前争议较多。

但是随着新能源汽车市场的快速发展,业界对三元、铁锂、锰酸锂和钛酸锂电池的发展应用方向也逐渐趋于一致,三元电池和磷酸铁锂电池主流地位愈加巩固,能量密度高的三元电池将统领新能源乘用车市场,热稳定性能好的铁锂电池是客车市场的主力军。

随着三元电池可靠性的提高以及客车市场限制的取消,三元电池与磷酸铁锂电池2:7的占比局面将被打破。其中,三元电池占比将进一步扩大,而钛酸锂电池则由于理论寿命长、快充时间短等特点,仍将在快充客车和快充出租车领域占有一定比例,但由于能量密度和价格方面的“偏科”,也决定了其在动力电池领域的配角地位。个人认为,储能将是钛酸锂电池发挥特长的重要领域。

碳化硅、锂硫、锂空气和石墨烯,甚至是固态聚合物电池,仍属于实验室技术,离产业化还有一定距离。例如,话题不断的石墨烯最好作为添加剂,起到快速导热的作用,而作为动力电池的负极或正极材料的主要成分还有待突破。

圆柱型、方型和软包结构的锂电池凭借自身技术的特点,寻找最适合其应用的技术领域。圆柱型电池具有价格优势且适应于异形包的布置,在私家车、物流车领域占据主流;方型和软包电池可克服圆柱电池散热量大的弊病,适用于快充要求苛刻的出租车和网约车。

而在方型和软包结构的电池博弈中,国内由于CATL、比亚迪和国轩高科等企业的路线选择,方型结构的电池优势明显,但纵观世界格局,随着市场对能量密度为300Wh/kg,甚至是500Wh/kg电池的需求,软包结构在能量密度方面的优势将得到很好的体现,加之软包的高安全性,比例也将会逐步加大。

电池性能有待提升

电池性能遵循着“木桶定律”,电池包是以性能最差的单体或模组进行计算,这就要求单体电芯制造、成组工艺和电池包集成技术都要做到精益求精。

现有电池的性能可以满足特定车型需求,例如,在热管理方面,客车车速较低,电池包周围空间大、空气流动性好,主流自然风冷就可以满足。在电池寿命方面,8年或12万公里的质保基本满足私家车的需求。

A级新能源车的市场占有率是真正体现技术发展和用户接受程度的重要指标。当前出租车和网约车是A级纯电动汽车销售的主要市场,电池实际性能还不能满足该领域车辆需求。

对于出租车和网约车等车型的快充速度,尤其是在“热车”和“冷车”情况下的快充速度有着特殊要求,常温下电池从10%~80%基本需30~40分钟。但当夏天车辆跑完一个循环工况后,自然风冷电池包温度接近45度,有些电池甚至超过50度时,三元电池开始限流,充电速度减慢,时间延长3倍以上,这样就满足不了网约车和出租车的需求。

同样,在低于零度时,充电电流为零或者仅为常温下的十分之一。对此,现有方法是加装PTC或加热电阻丝,但这种方法一般会导致冷热不均,最高和最低温度相差较大,影响到电池包寿命。

自2017年以来,液冷或直冷热管理系统应用趋势明显,部分车型开始批量使用,其他车企也在加快开发以解决快充速度问题。

除了快充指标,电池寿命也是考验电池的最大难题之一。一般大中型城市的出租车和网约车,年行驶里程在7~8万公里,而在北京、上海等一线城市里,年行驶里程超过则12万公里。出租车市场对电动汽车质保要求是6年或40万公里,有些甚至是8年或60万公里,但电池现有标准的8年或12万公里根本不能满足要求。

近几年,随着工艺质量的提升,电池循环寿命从1000次到2000次,甚至提高到3000次,不低于初始放电容量的80%。如国内有个别电池厂家对宝马车型承诺的是电芯万次初始放电容量达到80%以上,尽管是浅充浅放,但也可见电池寿命快速提升。

整包能量密度偏低

180Wh/kg的能量密度是当前国内三元单体电池的较高技术,磷酸铁锂电池的能量密度为三元的80%左右,钛酸锂更是不足三元电池的一半。与国外相比,国内电池的能量密度与其差距仍比较大,如特斯拉在三四年前就已经实现了236Wh/kg的电池能量密度。

电池能量密度的大小不仅影响车辆的续驶里程,还影响着车辆的轻量化进程。A级车车身重量在450kg左右,如果要实现150kg减重,要对四大工艺进行革命性的改造,费用高且周期长。

例如,一个60度电的电池包,假如能量密度提高20%,即从180Wh/kg提高到220Wh/kg,产生效果堪比四大工艺革命性改造。

因此《节能与新能源汽车技术路线图》中提出,到2020年,国内纯电动汽车动力电池的能量密度达到350Wh/kg的目标具有重要意义,但同样也面临着技术和工艺的诸多挑战。

电池包如何满足生产,依据外企对产品标准的要求,引进国际一流公司合资或独资建厂是最佳方法之一,“狼来了”短期内可能导致竞争加剧,但总体将会加快国内动力电池厂家的优胜劣汰,促进国内电池技术的快速发展,甚至提升盐湖提锂、碳酸锂制备、正极、负极和隔膜等全生态链技术。


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