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【兆恒機(jī)械】鋰電池的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

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  • 添加日期:2020年09月05日

鋰電池通常分兩大類:

鋰金屬電池:鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

鋰離子電池:鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

雖然鋰金屬電池的能量密度高,理論上能達(dá)到3860瓦/公斤。但是由于其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電,所以無法作為反復(fù)使用的動(dòng)力電池。而鋰離子電池由于具有反復(fù)充電的能力,被作為主要的動(dòng)力電池發(fā)展。但因?yàn)槠渑浜喜煌脑兀M成的正極材料在各方面性能差異很大,導(dǎo)致業(yè)內(nèi)對正極材料路線的紛爭加大。

通常我們說得最多的動(dòng)力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池(三元鎳鈷錳)。

以上各類電池都有優(yōu)缺點(diǎn),大致歸納為:

磷酸鐵鋰:

優(yōu)點(diǎn):壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低。

缺點(diǎn):能量密度低、振實(shí)密度低(體積密度)。

三元鋰:

優(yōu)點(diǎn):能量密度高、振實(shí)密度高。

缺點(diǎn):安全性差、耐高溫性差、壽命差、大功率放電差、元素有毒(三元鋰電池大功率充放電后溫度急劇升高,高溫后釋放氧氣極容易燃燒)。

錳酸鋰:

優(yōu)點(diǎn):振實(shí)密度高、成本低。

缺點(diǎn):耐高溫性差,錳酸鋰長時(shí)間使用后溫度急劇升高,電池壽命衰減嚴(yán)重(比如日產(chǎn)電動(dòng)車LEAF)。

鈷酸鋰:

通常用于3C產(chǎn)品,安全性極差,不適合做動(dòng)力電池。

理論上,我們需要的電池應(yīng)該是能量密度高、體積密度高、安全性好、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長、無毒無害、可大功率充放電,聚所有優(yōu)點(diǎn)為一體而且低成本。但目前并不存在這樣的電池,那么在不同種類電池的優(yōu)缺點(diǎn)中就需要取舍。而且,不同的電動(dòng)車對電池的需求點(diǎn)也是不同的,因此只有立足于長遠(yuǎn)地對電動(dòng)汽車作出判斷,才能有利于我們正確地判斷電池路線的選擇。

磷酸鐵鋰電池的優(yōu)越性

這里就需要回溯前兩篇的論述,我們分析了未來的電動(dòng)汽車應(yīng)該以小里程、快充電的電動(dòng)汽車為主。而目前家用車需要長續(xù)航的雙?;旌蟿?dòng)力,以及公交市場的大續(xù)航純電汽車。那么這樣的車需要什么樣的電池?

一、安全

首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機(jī)和電腦,汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素,比如車禍造成的電池?cái)D壓和撞擊。而任何一個(gè)不利的因素,都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質(zhì)的鉛酸電池,完全沒有安全保障,電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件,雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡。但同時(shí)也要看到,這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故,碰撞本身對車和人并無傷害,而電池卻著火了,那么如果是更嚴(yán)重的事故呢?

二、高倍率放電壽命

普通汽車使用壽命長達(dá)數(shù)十年,一輛電動(dòng)汽車的電池,10年至少需要3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件,壽命能否與車等同是非常重要的,既要保證車輛的性能又要保證車主的利益,這樣才能利于市場的推動(dòng)。目前世界各車企的電動(dòng)汽車,只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質(zhì)保。

電池的壽命也就是循環(huán)壽命,并非簡單的電池參數(shù)給出的數(shù)字。電池的循環(huán)壽命和電池的循環(huán)狀態(tài)是息息相關(guān)的,比如放電倍率、充電倍率、溫度等。通常電池實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得出的循環(huán)壽命,是以0.3C恒定的充放電倍率,在20度恒定最佳溫度下得到的。但是在實(shí)際用車過程中,倍率和溫度都是非恒定的。這也就是為什么通常無論是筆記本、手機(jī),還是電瓶車的電池,實(shí)際使用中的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠商給出的數(shù)據(jù)的原因。而中小里程純電以及長續(xù)航雙?;旌蟿?dòng)力車,因?yàn)樗鶐У碾姵乇容^少,對其放電的要求就會更高,對壽命的影響就會更大。

比如A123的磷酸鐵鋰電池,通常循環(huán)壽命可以到3000次以上。但是,A123的磷酸鐵鋰航模電池,以10C的充電倍率、5C的放電倍率使用,實(shí)驗(yàn)室中的壽命縮短到只有600次,而真正實(shí)際使用中只有400次左右,可見放電倍率對壽命的影響。

再以比亞迪“秦”為例,只有13KWH的電池驅(qū)動(dòng)峰值功率110KW的電機(jī)。可以計(jì)算出,當(dāng)“秦”滿電時(shí)其最大放電倍率高達(dá)8.4C。尤其是當(dāng)“秦”只有50%電量時(shí),其最大放電倍率可以達(dá)到18C。如果電量再低放電倍率將超過25C,這會極大地縮短電池的壽命。

再看P85度電的特斯拉,最大功率310KW的電機(jī),看起來很龐大,其實(shí)電池放電倍率不過4C。在只有30%的電量時(shí),最大放電倍率也不過10C。而且特斯拉的大容量電池,在極大程度上避免電池處于大功率的放電之中。

通過簡單的對比,就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優(yōu)越性。

三、溫度適應(yīng)性

極寒對電池的影響,主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少;極熱對電池的影響,主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。

極寒對于電池的影響相對較輕,因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹阆?0度以下使用,而且在電池的放電過程中本身就會產(chǎn)生熱量,但能耗的增加以及電量的減少不可避免。

極寒對純電車的影響和對雙模混合動(dòng)力車又不一樣。純電動(dòng)車因?yàn)闆]有其他動(dòng)力來源,在極寒情況下要達(dá)到合適的溫度,必須依靠電池放電加熱,那么對于能耗以及續(xù)航里程就會有很大影響。特斯拉在冬天無論是百公里能耗以及續(xù)航里程都和平時(shí)有顯著不同。

對于雙?;旌蟿?dòng)力影響就較弱。因?yàn)榛靹?dòng)有發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動(dòng),當(dāng)時(shí)夜間氣溫在零下15至20度,在早晨極寒的情況下啟動(dòng)車輛,系統(tǒng)會自動(dòng)切換到HEV模式,發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào),迅速提高車內(nèi)溫度,當(dāng)溫度提高以后再切換回EV模式。

極熱對純電和混動(dòng)影響都很大,比如電池本身大功率放電溫度就會升高。以普通鋰離子電池為例,20C的放電,電池的溫度可以提升到接近50度。這么高的溫度,不僅對電池的壽命有影響,更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環(huán)境下會釋放氧氣,而氧氣是易燃物體。特斯拉通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出。但是當(dāng)遇到撞擊時(shí)還是難免起火。

四、能量密度

能量密度,顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo),但是在筆者的分析體系里,能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要。

原因有兩個(gè):

1.能量密度必須結(jié)合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實(shí)不高。但是因?yàn)槠浒踩€(wěn)定耐高溫等特點(diǎn),以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡單,不需要太多保護(hù)輔助設(shè)備。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高,但由于其安全性差不耐高溫,所以必須結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備,而這些設(shè)備都加大了汽車的重量。有報(bào)道稱在發(fā)生連續(xù)燃燒事故后,特斯拉又準(zhǔn)備加厚電池保護(hù)設(shè)備,這就將三元電池的能量密度優(yōu)勢消弱了。

2.重量對于汽車的影響不大,特別是對于未來電動(dòng)汽車的主流趨勢混合動(dòng)力以及小里程純電動(dòng)汽車。我們可以設(shè)想,以130千瓦時(shí)/公斤能量密度和200千瓦時(shí)/公斤能量密度的電池做一個(gè)對比。即使是最大的80度總電量,兩種電池的重量差不過200KG。

這對于一輛接近2噸的汽車影響很低。

因此筆者認(rèn)為,盡管電池的能量密度自然是越大越好,但并不必要刻意追求最大。特別是能量密度越大越不穩(wěn)定,這是基本常識。只要達(dá)到夠用的程度,能量密度不是太重要。

五、成本

成本非常好理解,要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢,這在本系列第一篇也已經(jīng)計(jì)算過。小里程純電或者混動(dòng)電動(dòng)車,一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成本,另一方面需要降低電池包+保護(hù)設(shè)備的成本。因此我們發(fā)現(xiàn),特斯拉的電芯成本雖然較低,但是整體成本依然居高不下。

通過以上論述我們知道,不同鋰離子電池都有天然優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但重要的是,如何對未來電動(dòng)車發(fā)展的重點(diǎn)要素排序,這樣才能選出適合潮流的電池。綜上,從安全、壽命、放電能力、溫度適應(yīng)、能量密度、成本等因素綜合考慮,筆者認(rèn)為磷酸鐵鋰電池最適合未來電動(dòng)汽車電池的發(fā)展方向。