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如何加 快提升电池性能

发布时间:2017/08/15

  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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