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鋰電池為什么不能兼顧高功率和高能量密度的原因

鉅大LARGE  |  點擊量:6098次  |  2018年06月22日  

摘要
對于鋰離子電池純電動汽車,充電難目前仍然是個很大的問題,因而“快充”也成了很多廠家的噱頭。筆者個人認為,鋰電的快充問題需要從兩個層次進行分析。

對于鋰離子電池純電動汽車,充電難目前仍然是個很大的問題,因而“快充”也成了很多廠家的噱頭。筆者個人認為,鋰電的快充問題需要從兩個層次進行分析。

從電芯層面而言,鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極/電解液/負極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約,另一方面極片工藝和電芯結構設計也對倍率性能有較大影響。但是從最本征的載流子傳導與輸運行為而言,鋰電并不適合“快充”。鋰電體系的本征載流子傳導與輸運行為取決于正負極材料的電導與鋰離子擴散系數以及有機電解液的電導率這幾個主要因素。

基于嵌入式反應機理,鋰離子在正極材料(一維離子通道的橄欖石,二維通道的層狀材料和三維通道的尖晶石正極材料)和負極石墨負極材料(層狀結構)中的擴散系數普遍比水系二次電池中的異相氧化還原反應的速率常數低數個數量級。而且,有機電解液的離子電導率比水系二次電池電解液(強酸或者強堿)低兩個數量級。

鋰電的負極表面有一層SEI膜,實際上鋰電的倍率性能很大程度上受到鋰離子在SEI膜中擴散的控制。由于有機電解液中粉末電極的極化相對水系要嚴重得多,在高倍率或者低溫條件下負極表面容易析鋰而帶來嚴重的安全隱患。另外,在大倍率充電條件下,正極材料的晶格容易受到破壞,負極石墨片層同樣也可能受到損害,這些因素都將加速容量的衰減,從而嚴重影響動力電池使用壽命。

因此,嵌入式反應的本質特征決定了鋰離子電池并不適合高倍率充電。研究結果已經證實,快充快放模式下單體電池的循環壽命將大幅下降,并且在使用后期電池性能顯著衰減。

當然了有讀者可能會說,鈦酸鋰(LTO)電池不是可以大倍率充放電嗎?鈦酸鋰的倍率性能可以從其晶體結構和離子擴散系數得到解釋。但是,鈦酸鋰電池的能量密度很低,其功率型用途是依靠犧牲能量密度取得的,這就導致了鈦酸鋰電池單位能量($/Wh)成本很高,低性價比決定了鈦酸鋰電池不可能成為鋰電發展的主流。事實上,日本東芝SCiB電池這幾年低迷的銷售態勢已經說明了問題。

在電芯層面,可以從極片工藝和電芯結構設計角度來改善倍率性能,比如將電極做得比較薄或者增加導電劑比例等措施都是常用的技術手段。更有甚者,甚至有廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端辦法。而事實上,國內很多動力電池公司都將其LFP動力電池在30C甚至50C的高倍率數據作為技術亮點。

筆者這里要指出的是,作為測試手段無可厚非,但是電芯內部到底發生了哪些變化才是關鍵。長時間高倍率充放,也許正負極材料結構已經被破壞,負極早已析鋰,這些問題需要使用一些原位(In-Situ)的檢測手段(比如SEM,XRD和中子衍射等)才能搞清楚。很遺憾的是,這些原位檢測手段在國內電池企業幾乎沒有應用的報道。

筆者這里還要提醒讀者注意鋰電充電和放電過程的區別,與充電過程不同的是,鋰電在較高的倍率下放電(對外做功)對電池造成的損害并沒有快充那么嚴重,這點跟其它水系二次電池類似。但是對電動汽車的實際使用而言,高倍率充電(快充)的需求無疑要比大電流放電更加迫切。

上升到電池組的層面則情況將更加復雜,在充電過程中不同單體電池的充電電壓和充電電流并不一致,必然造成動力電池的充電時間要超過單體電池。這就意味著雖然采用常規充電技術也能在30分鐘內將單體電池充電至容量的一半,但電池組肯定會超過這一時間,這在一定程度上意味著快速充電技術的優勢并不是十分明顯。

另外,在鋰離子電池的使用(放電)過程中,其容量的消耗與放電時間并不是線性關系而是隨時間加速下降。比如某款電動汽車滿電的行駛里程為200公里,那當它正常行駛100公里后,動力電池可能還剩下80%的容量,當電池容量剩下50%時,電動汽車也許就只能夠行駛50公里了。鋰離子電池的這種特性告訴我們,僅僅將動力電池的電量充到一半或者80%,并不能夠滿足電動汽車實際使用需要。比如Tesla宣傳較多的快速充電技術,在筆者看來其實也是噱頭大過實用,而且頻繁的快充必將惡化電池的使用壽命和性能,并且帶來嚴重的安全隱患。

既然鋰電本質上就不適合快充,那么理論上而言換電模式可以彌補其快充缺點。雖然將動力電池設計成可插拔式會帶來整車結構強度問題以及電氣絕緣方面的技術難題,而且還有電池標準和接口的超級難題,但筆者個人認為,這個模式不失為解決鋰電快充難題的一個技術上(也僅僅是在技術層面上而言)比較可行的辦法。

在筆者看來,“電池租賃+換電模式”之所以在全球范圍內都還沒有成功先例,除了消費習慣的問題(車主認為電池跟車一樣都是其私有財產),主要障礙在于隱藏于技術標準背后的巨大利益分配問題。在高度市場化的西方國家,解決這個問題的難度要比在中國大得多。筆者個人認為,換電模式未來在我國公交汽車、出租車或者共享汽車這幾個純電動汽車集中使用的領域,有可能會有較大的發展空間。

2.3.2燃料電池的高功率特性:相對于鋰離子動力電池的快充難題,燃料電池加注氫氣的問題要容易不少。目前幾乎所有的FC-EV,都可以在三分鐘內加滿氫氣。雖然三分鐘比常規的加油時間要長點,但相對于特斯拉6小時的普充/半小時的快充,三分鐘顯然不值一提。但是將鋰電的快充問題和燃料電池加氫進行對比,在筆者看來并不恰當。因為電動汽車充電和電網的結合很容易,而燃料電池的加氫問題,基礎設施建設難度遠比建充電站要大得多。

說到倍率性能,筆者這里再討論下鋰電和燃料電池的功率密度問題,因為倍率實際上也就是功率問題。在技術上,鋰電可以采用一些工藝措施(比如將電極做得很薄或者增加導電劑含量等等)實現較大倍率充放電,但是這些技術措施必將犧牲電池的能量密度。

也就是說從根本上而言,鋰電單體電芯是不可能同時兼具高能量密度和高功率密度的。比如,A123的AHR32113單體電芯倍率性能非常優異,在40C的超高倍率測試條件下的功率密度可以高達2.7KW/Kg,但其能量密度僅僅只有70Wh/Kg而已。又比如,i-Phone7的軟包電芯能量密度已經達到了250Wh/Kg的水平,但是它的倍率性能就比較差只能夠在低于0.5C的低倍率充放電。

但是筆者這里要強調的是,燃料電池可以很容易同時兼具高能量和高功率特性,這正是其獨特的開放式工作原理決定的。PEMFC電堆是電化學發生的場所,其獨特的異相電催化反應過程使得不管是氫的電化學氧化還是氧的電化學還原,都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。

事實上,目前Toyota和GM的新一代PEMFC電堆,在實際工況下(單電池0.6-0.7V)電流密度普遍接近1A/cm2的水平,比目前國內廣泛使用的LFP動力電池在1C倍率下的電流密度高出大約兩個數量級。

ToyotaMirai的PEMFC系統的能量密度超過350Wh/Kg,而功率密度已經達到了2.0KW/Kg。相比之下,TeslaModelS的鋰離子電池系統的能量密度為156Wh/Kg,而功率密度則僅有0.16KW/Kg比Mirai低一個數量級!PEMFC電堆是單電池按照壓濾機方式組裝起來的,其功率可以通過增加單電池數量而提升(非線性關系)。而PEMFC的能量密度則取決于儲氫系統的儲氫量,同樣也可以通過增加儲氫罐體積或者數量而獲得提升。

也就是說,PEMFC系統可以同時兼具高能量密度和高功率密度,而這個特點則是任何一種二次電池都不可能具備的,其根本原因在于封閉體系和開放式工作方式的本質區別。而同時兼具高能量和高功率的工況特性,恰恰是現代汽車對動力系統的最基本技術要求。

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