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电动汽车锂电池五大正极材料性能对比

电池制造商正在大力推广电动汽车,如果他们不成功,将会发生什么呢?可能像20世纪90年代迅猛发展的燃料电池或过去十年发展起来的生物燃料一样,如果没有政府的大力补贴就无法生存下来。美国能源部也承认,锂电池的一些关键参数无法满足需求。较新的镍氢电池,比锂电池更便宜、更安全,也更适用于电动动力系统,但由于研究较为成熟,研究工作无法得到政府资助。

电动动力系统中没有理想的竞争者,因此锂电池仍然是一个很好的选择。图1示出了5种备选电池,其中锂镍锰钴(NMC)电池、磷酸锂电池和锂锰电池具有一定的优越性。在消费类电子产品中最流行的钴酸锂电池(未列出)这种最高的能量密度的“电脑电池”虽然被特斯拉和Smart Fortwo ED用作电动车的电源,但由于其高昂的价格等劣势并不适合大量应用的在一般电动车中。人们需要在安全性、比能量、成本和高温性能等方面做出折衷的选择。

图1比较了5种电池在安全性、比能量(也称为容量)、比功率(电池的大倍率充放电的能力)、电池的高低温性能、寿命(包括使用寿命和储存寿命)以及成本6个指标的性能。但图中没有提及充电时间,如果有合适的电源插座可用,电动汽车动力系统的所有电池都可以快速充电,超快速充电是个例外情况,不过大多数用户还是能够接受几个小时的充电时间的。图1 也没有列出自放电性能——这是另一个需要重视的电池特性,在一般情况下,锂电池自放电速率较低,如果电池是新的,自放电几乎可以忽略不计。然而,因受热引起的电池的老化会加速电池的自放电并引起电池管理上的问题。在电动汽车可选的电池类型中,磷酸锂电池比其他电池系统自放电速率都高。

电动汽车锂电池五大正极材料性能对比

图1 电动车电池 挑战、机遇及2020年展望

注:在轴线上形状越向外延伸,电池就越好

图1中的五种电池的性能图虽然不完全一样,但是却比较相似,没有一种电池可以脱颖而出。 例如,NCA虽然具有高容量,但是在安全方面却不敌磷酸锂电池,但磷酸锂电池容量很低。没有完美的电池,汽车制造商就通过设计电池组合来弥补某方面性能的不足。因此电池制造商一般是根据订单要求来设计电池,强化应用所需的重要特性。下面是一个电动动力系统中电池的几个重要指标。

电动汽车锂电池五大正极材料性能对比

安全性:是选择电动汽车电池的最重要的指标之一。一次意外在媒体和舆论的放大下就可能使大众否定这款电动汽车。类似的问题在100年前也是发生过的,例如蒸汽引擎和汽油坦克爆炸。人们主要关心的就是电池的热失控。用坚固的配件及精心设计的安全电路应该可以基本解决这个问题,但仍然可能存在风险。电池经过滥用和长时间的使用后必须确保其安全性。

寿命:反应了电池的循环次数和储存寿命。大多数电动汽车的电池寿命可以保证汽车在使用8 - 10年内,充电一次能够行驶160公里(约100英里)。电池老化引起的电池容量衰减是一个很严重的问题(尤其是在炎热的气候里)。而汽车制造商缺少用户在不同的条件和气候下电池的老化数据。因此厂商通常会增大电池组的尺寸来补偿电池容量的损失,以保证汽车在规定年限内能正常使用。

电池的高低温性能:反映了电动车中的电池在极热的夏天和很低的温度下的性能。不像内燃机能在大的温度范围内正常工作,电动汽车电池对温度的要求比较高。当车辆的动力来源仅仅只有电池的时候,那调节电池的温度、车内部的加热以及降温所需要的能量也将都来自电池。

比能量:即电池单位重量中含有的能量,反应了汽车可行驶里程。人们清楚地认识到,电池单位重量输出的能量仅占化石燃料的1%。 汽油1kg(1.4升0.37加仑)产能约12kWh,而1kg电池只有120Wh左右。但是我们要知道,电动机效率高于90%,而内燃机只有30%左右。尽管效率差这么大,电池的储能能力不提高2-4倍是不可能和内燃机相提并论的。

比功率:与汽车的加速能力有关,大多数电动汽车电池比功率都不低。电动机与相同马力的内燃机相比有更好扭矩比。

成本:这是电动汽车的主要劣势。BCG预测,很难将电池的目标成本限定在$250-400/KWh。而且还有别的因素促使成本增加,比如规定安全保护电路,电池管理状态,环境温度控制保持,和8-10年的保修期。这些因素导致电池的价格相当于一台非电动汽车的价钱,基本上电动汽车的价钱要再翻一倍。

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