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低溫鋰電池

解讀動力鋰電池技術,氫燃料動力電池/石墨烯電池等誰更加有前途

鉅大LARGE  |  點擊量:323次  |  2020年04月28日  

摘要
去年全球范圍發布禁售燃油車時間表,讓人們意識到新能源車的時代就要來了,而純電動車、插電混動、燃料電池車等等,為什么短短幾年時間就成

去年全球范圍公布禁售燃油車時間表,讓人們意識到新能源車的時代就要來了,而純電動汽車、插電混動、燃料動力電池車等等,為何短短幾年時間就成為未來的主旋律?一方面是全球戰略、政策等方面的支持,另一方面就是動力鋰電池技術的不斷提升,更長的續航、更短的充電時間,直接關乎用戶的通勤需求,才讓新能源車來到我們身邊,將來還會取代傳統燃油車,與大家的日常出行密不可分。于是就有了人們所說的:“新能源車的發展,就是電池技術的發展?!?/p>

鉛酸電池


純電動汽車最早使用的是鉛酸電池,鉛及其氧化物制成作為電極材料,硫酸溶液作為電解液,這是現在大部分電動自行車的動力源,低成本是其最大的優勢。不過,因為鉛酸電池的能量密度低,從而帶來了體積大、容量小等問題,無法滿足一臺汽車關于自重的控制、驅動力的消耗,乃至每年超過1萬公里行程的使用壽命,所以無法大規模用于量產車上,最終被汽車廠商淘汰。


密封包裝的鉛酸電池組


鎳氫電池


鎳氫電池與我們的日常生活很近,從早期的隨聲聽到現在的充電牙刷等小型電器很常見,正極為鎳氫的化合物,負極為金屬氫化物,其能量密度、充放電次數相比鉛酸電池有不小的提升,并且電解液不可燃、安全性有保障,制造工藝成熟,比亞迪在造車之前就是全球第二大的鎳氫電池制造商。


鎳氫電池組


不過,因為鎳氫電池充電效率一般、有充電有記憶效應、工作電壓較低(無法使用高壓快充),并不適用于汽車的單一動力源,適合輔助發動機工作。這方面做得最好的要屬豐田,其混合動力系統采用阿特金森發動機+鎳氫電池組,阿特金森發動機本身具備中間轉速區間高效的優勢,卻也有著低轉速和高轉速疲軟的問題,而鎳氫電池正好能夠解決起步與高速動力不足的一大助力。


而從鋰離子電池廣泛引用之后,鎳氫電池在汽車上也有被完全取代的趨勢,如豐田新一代混動系統就采用了更高效的發動機+鋰離子電池組合。相比鋰離子電池,鎳氫電池的容量、循環充電的壽命以及環保角度都不占優勢,成本的優勢也在鋰離子電池大力發展之下被弱化了,這正是鎳氫電池逐漸退出汽車領域的原因所在。


鋰離子電池


鋰離子電池正是現階段新能源車的主流選擇,鋰的化合物(錳酸鋰,磷酸鐵鋰等)作為電極材料,石墨作為負極材料,其優勢在于能量密度高、體積小、重量輕、充電效率高。決定鋰離子電池類型或者說性能的重要因素,在于電池兩極的材料,其中正極的材料是現階段的關鍵,如主流的磷酸鐵鋰、三元材料中的鈷酸鋰、鎳鈷錳等,在容量、成本、低溫充放電、安全性等多個維度上存在差異。


通用集團鋰離子電池組


不過無論任何類型,所有鋰離子電池組都會面對低溫這個“天敵”。不同鋰離子電池類型的最佳工作溫度雖然有一定差異,但低于最佳區間之后伴隨而來的鋰離子的活性降低,關于續航里程的影響比較大,這在我們此前的測試中也有所體現:搭載鋰離子電池組的電動汽車,北方冬季實際使用中的續航,普遍只能達到理論續航的60%多,最多也就70%左右。


騰勢EV400極限里程測試結果


低溫的負面影響從電池本身不太好解決,于是眾多汽車廠商想辦法給電池組加溫,新增單獨針對動力鋰電池的控溫系統,采用這種做法的大部分品牌車型都有一定緩解用途,但實際效果還算不上出色的解決問題,因為有一些電動汽車控溫系統的耗電量,比低溫的損失還要大。


帝豪EV450搭載2.0版的ITCS電池智能溫控管理系統


在這方面可以有所期待的是,通用集團已經有意向與韓國LG集團合作,采購直接在電池組內部裝備多個溫控元器件的產品,不光能與現在相同給電池散熱,還能在寒冷天氣提高電池的溫度。這項技術的落地值得期待,據悉,通用集團下一輪純電和插電混動的新車就會使用,取代現在日立品牌供應的電池組。


氫燃料動力電池


大家都了解H2+O2燃燒最終得到的水,所以氫氣是非常理想的清潔能源。就氫氣本身來說,燃燒可以釋放大量的能量、低溫表現上佳,最重要的加氫的效率高,加氫只需5分鐘就能行駛超過600公里,并且這個數據還有提升的空間,以上這些都要遠遠優于現有的鋰離子電池。


有關氫燃料動力電池車投入方面,日、韓兩國的車企早就開始了研究,如今已經小范圍投入到了各自國家的市場中,如筆者春節前試駕的現代NEXO氫燃料動力電池車,已經大量用于平昌冬奧會并上市銷售。


現代NEXO氫燃料動力電池車


而氫氣這么好的能源,為何不推廣?因為以現在的技術獲取氫氣太難了。大家都學過電解水能得到氫氣,但耗費電能去電解水,然后再燒氫氣最終變成水,這個過程的用電量和損失還不如直接給鋰離子電池充電,成本太高。而成本、工藝都比較合適的是從石油、天然氣里提取,但量并不大,所以燃料動力電池車“只聞其名、難以推廣”。


石墨烯電池


關于未來新能源車的動力鋰電池討論,最靠譜、討論最多的要屬石墨烯電池了,將一些專業角度的解讀“翻譯”一下就是:用這種材料結合鋰離子電池有兩種使用方法,一是用石墨烯的復合材料作為鋰離子電池的導電劑,二是直接用作負極,效果都是新增鋰離子電池的活性,從而提升電動汽車的續航里程、充電速度。


石墨烯-碳化海綿鋰氧電池


石墨烯電池可以有效解決鋰離子電池的短板,產品特質與新能源車用戶使用直接掛鉤。這種材質的好處確實大,而且韓國三星也已經對外公布掌握了這項技術,但成本是一大瓶頸,石墨烯的獲取不太容易,早期是用于航天領域的一種材料,何時、采用什么方式降低成本,將是這項優質產品“飛入尋常百姓家”的一大難題,各個汽車廠商都還沒有公布在這方面發力的計劃。


石墨烯鋰離子電池效果圖


簡單來說,純電動汽車的工作原理是“充電直接用電”,氫燃料動力電池車則是H2+O2“燒成”(化學反應)電能和水,相當于“燒氫”來發電。兩種“電池”同樣都是零排放,電動汽車鋰離子電池能力密度更小、低溫活性差影響續航,充電速度慢的問題,氫燃料動力電池完全沒有,而且工作效率要高出不少,這正是氫被稱為優質能源的原因。


固態鋰離子電池


固態鋰離子電池顧名思義就是不再使用液態的電解液,采用固態電解質,其能力密度遠超現在的主流的鋰離子電池,這意味著純電動汽車型更高、甚至達到節能型汽油車的續航里程,并且充電效率相比現階段也有著質的飛躍,據悉裝備固態電池的電動汽車,最理想化的充電速度可達到1分鐘新增800公里,這可以說是新能源車的最佳核心部件。


現階段,一些海外的能源、科技公司,以及松下等電池制造商都開始了固態電池的研發,汽車廠商涉及這方面的只有豐田、本田以及日產三大日系車企,這源于日本國家層面的助推。從已經開始研究固態電池的各方計劃來看,預計2020年將在成本、能量密度和生產制造方面有突破性進展。到2030年才能將這項研發成果落地、在新能源車領域廣泛普及,即離我們還有些遠,這也是各大車企公布2025年全球禁售燃油車的應對戰略時,并未提及固態電池的原因。


眾多車企乃至新造車勢力都公布了未來的新能源計劃,更多相關內容敬請期待……


總結


往大了說,環保似乎全球的一個大方向,電能又是老百姓生活必備的能源,所以以電作為燃料的新能源車最容易實現,過渡最為平滑。從現實的角度來看,2025年禁售燃油車之后,能買到的就只有新能源車了,一款車的電池如何至關重要,正如本文所說的電池發展,老的電池類型逐漸成為歷史,新的電池技術一些還處于概念階段,一些只要攻克技術、成本等難題,就將來到大家身邊了。


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