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電池人一定要懂的“電池能量密度”!

鉅大LARGE  |  點擊量:7965次  |  2018年11月02日  

摘要
這似乎就像在討論心臟的跳動對于人體有多重要一般,一輛純電動車,或者說的更標準一點,一輛電池動力車的性能、續航里程、可靠性都取決于其電池包內的電池數量以及單節電池內的能量密度。這個公式很好理解:總電量=電池數量×單節電池能量密度。

01


純電動車電池的能量密度高低有多重要?


這似乎就像在討論心臟的跳動對于人體有多重要一般,一輛純電動車,或者說的更標準一點,一輛電池動力車的性能、續航里程、可靠性都取決于其電池包內的電池數量以及單節電池內的能量密度。這個公式很好理解:總電量=電池數量×單節電池能量密度。


而現代汽車的結構設計其實已經很死板了,留給電池組的空間也就那么一點,大部分車型都集中在坐艙地板下方,當然這也是出于安全性和空間性的考慮。


所以說,電池數量已經被限制在某一個區間內,無法大幅提升。想要增強電池車性能,唯有在能量密度上做文章。


02


什么是電池能量密度?


能量密度(Energydensity)是指在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。


電池的能量密度越大,單位體積內存儲的電量越多。


據悉,電池的能量密度基本由電池的正負極決定的,但只是正負極活性材料也不能保證電池能發上電,得有很多非活性物質,比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。


我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質的含量,得出的能量密度與事實相差較大,誤導吃瓜群眾。其實,這部分相當重要,就拿過去十幾年的技術進步來說,電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質占比的提升來實現的。


還有的就是以增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。


我們最熟悉的例子莫過于:率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。而原因并非18650電池有任何質量問題,只是18650電池單顆容量小,普遍在2-4Ah左右,串并聯數量過多,單體失效風險概率較大,導致其在電動汽車領域的應用受到一定的限制。


而21700電池在尺寸上相比18650電池(直徑18mm,長度65mm)更大,達到了直徑21mm,長度70mm。如果想再形象一點來考慮這個問題,我們不妨來看看來自HitechEnergy的計算,僅考慮單體的密集堆積進行計算,可知:30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍,質量則為0.97倍。


在同等能量下,所需電池的數量可減少約1/3,電池包內部金屬連接件數量減少,從而進一步降低電池包的重量,整車的能量密度將得到部分提升,達到接近300kw/kg。


以下三點尤為引人注意:


1.到2020年,鋰離子動力電池單體比能量大于300Wh/kg;系統比能量爭取達到260Wh/kg;成本小于1元/瓦時;使用環境達-30℃到55℃;具備3C充電能力。


2.到2025年,單體比能量達500Wh/kg。


3.力爭實現單體電池350Wh/kg、系統260Wh/kg的鋰離子電池產品產業化和整車應用。


03


我國各電池動力鋰電池能量密度達到什么水平了呢?


比亞迪:目前,比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh,而接下來比亞迪計劃將能量密度繼續提升到160Wh。除了磷酸鐵鋰電池,比亞迪也在同步開發三元鋰電池,而如果將三元鋰電池的技術結合到磷酸鐵鋰電池上,對原有用石墨作為負極材料的做法進行一些調整,那么在2020年左右,比亞迪計劃將磷酸鐵鋰電池的單體能量密度提升到200Wh。


另外,在跟進的三元電池方面,比亞迪的三元電池已經具備量產條件,目前能量密度也達到了200Wh/kg。比亞迪三元電池的目標是2018年電池比能量達到240Wh/kg,2020年達到300Wh/kg。


沃特瑪:生產的32650圓柱型動力磷酸鐵鋰電池,單體能量密度已經達到145Wh/kg,下一步目標是實現160Wh/kg;三元電池目前能量密度為200Wh/kg,預計到2020年達到300Wh/kg的水平。


國能電池:早在2013年,國能磷酸鐵鋰和三元電池單體能量密度就達到了160Wh/kg和200Wh/kg。預計2017年年底,磷酸鐵鋰電池單體能量密度將達到180Wh/kg、PACK達到134Wh/kg,三元電池能量密度將突破240Wh/kg。


捷威動力:在能量密度方面,公司目前已經量產的三元軟包電池單體比能量達210WH/Kg。在提高電池安全性的基礎上,預計2020年公司軟包電池單體能量密度可達300WH/Kg,Pack成組后可達220WH/Kg;鈦酸鋰電池單體能量密度達到110WH/Kg以上。


智慧能源:公司量產的動力電池單體能量密度可達220Wh/Kg,PACK成組后能量密度達到140Wh/Kg。同時,公司BMS系統可做到5級防護,電池包采用輕量化材料,并進行了結構優化。


比克電池:2016年,比克三元材料動力電池行業占比30%以上,位列第一。目前比克單體電芯能量密度近220Wh/kg,后續還將進一步提升至300Wh/kg。


卡耐新能源:卡耐新能源已經可以批量供應能量密度220Wh/kg電芯,系統比能量大于130Wh/kg電芯,同時工藝和技術層面已經分別實現250Wh/kg、技術300Wh/kg產品儲備。


可以預見,隨著政府的大力支持和倡導,電池技術和行業發展會迎來重大變革。作為純電動車的命脈,電池單體能量密度肯定會有所提升,達到非常有競爭力的水平,屆時對電動車產業的發展和推廣的作用也是巨大的。

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