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动力电池目前面临的问题以及发展趋势是什么?

geekcar

文章开始前,先问大家一个问题:我们为什么要去提高电池能量密度?答案其实很简单:焦虑,准确的讲是里程焦虑。我们希望通过能量密度的提升来获得更高的续航里程

在国家政策的扶持下,我国动力电池取得了很大的进步,关键性能指标提高、成本下降,电池成组、BMS(电池管理系统)技术取得了一定的进步。按照科技部部长万钢给出的数据,目前纯电动乘用车产品的续驶里程高于 300 公里的比例达到 81%,系统能量密度 140Wh/kg 以上的产品已经成为主流,单体能量密度发展更快,基本上超过 250Wh/kg,有些已经达到了 300Wh/kg 的预定目标。

但是在这样的成绩的背后仍存在许多疑问:目前锂电技术存在哪些问题?未来动力电池发展趋势是什么?高比能材料研究进展如何?

电池安全问题

「锂电池具有成为动力电池主流技术的潜质,但瓶颈是高比能量动力电池的安全性」。在今年的百人会上,中国科学院院士欧阳明高一开场就直奔主题。

此前,国家补贴门槛提高,三元锂逐渐取代磷酸铁锂成为主流,电池能量密度以及整车续航里程得到很大的提升,但是在这种增幅背后却隐藏着危险——热失控。

首先简单了解一下什么是热失控(主要是高温热失控):动力电池在工作的时候会发热,正常情况下可控,但是在电池温度过高或充电电压过高时,电池内部化学反应会接连发生,产生连锁反应,使电池内压及温度急剧上升,进而引发电池热失控,发生爆炸 or 燃烧。

造成热失控的原因很多,主要从两个方面来说:内因和外因。

内因:本身材料、制造工艺会对电池性能产生影响,使单体电池状态(SOC 等)存在差异、电池使用时间过长,存在析锂、隔膜融化等现象造成内短路,进而导致热失控;

外因就比较多,过充过放、车辆使用老化可靠性降低、充电不规范、密封不好、碰撞……

(图片来自 @ 42 号车库)

为了让电池可以稳定工作,需要对原材料以及制造工艺进行品质控制,从内部保持生产的一致性;但即便如此也无法完全保证,这就需要 BMS(电池管理系统)从外部来控制电池组的温度,以便让电池发挥最佳效率。

现在的电动车为追求高能量密度高续航,将电池中的隔膜厚度进行削减,给电池安全造成了一定的安全隐患,很容易造成热失控,除此之外,国家补贴政策的快速调整与动力电池系统开发周期不协调,导致产品无法得到充分验证,进而产生安全隐患。

如何在提高电池能量密度的同时保证电池安全,是当下需要解决的问题。

未来电池的发展方向

除了要着眼于现在,从业者的目光还是要放的长远一些。

「一个行业共识是,传统液态介质锂电池的能量密度不可能大幅度提升,未来 3-5 年,三元锂电池会达到技术的瓶颈」。这是天际汽车董事长兼 CEO 张海亮在百人会上分享的观点。

在这种情况下,哪种形式的电池又会是研究主流呢?

固态电池?

固态电池其实并不算一种完全的技术革新,只是将现有锂电池中的隔膜或电解液用可传导锂离子的固态电解质替代,结构上稍有差异,但工作原理几乎一致,相对而言,固态电池要比传统锂电池安全一些,且能量密度较高。

按照欧阳明高给出的展望,电池正极发展方向是减钴到无钴,负极将是加硅,硅的含量将逐步提升,甚至是全硅。电解质要减少有机溶剂,逐步提高锂盐的浓度,未来可能要开发全固态电解质,但是全固态电解质目前还有很多技术瓶颈需要克服,大规模商业化估计在 2025-2030 年(以后)。

免管理电池(MFB)是终极解决方案?

鱼与熊掌不可兼得。电池材料在反应活性和稳定性上存在一个固有矛盾, 活性大性能好衰减也快,稳定性好的活性较差。「我们做电池的科学家跟工程师,基本上每天是在玩折中的游戏。」宾夕法尼亚州立大学教授王朝阳这样说道。

(图片来自 @ 42 号车库)

在他看来,既然现有材料无法实现我们在反应活性和稳定性上的要求,那就应该去建立新的电池体系:第一步将材料钝化,增加电池内阻,保证电池安全,通过热刺激方式迅速调制电化学动力特性,让电池输出高功率;第二步,在原有电池结构中加入一个镍片(厚度仅 5 微米),连通正负极形成回路,可以使电池迅速升温。有多快呢?每秒 2-5 度,从 25 度到 60 度,只需要 7 秒的时间。王朝阳说这个电池的热管理很简单,将来甚至不需要主动热管理,自然对流就可以。

其实这并不是最新技术,早在两年前王朝阳就将其发表在《自然》期刊上。就在去年,搭载该技术的车子已经进行过一次实验,近期将会去做第二次实验。

高容量富锂正极材料?

高能量密度动力电池如果要达到 300Wh/kg,正极容量就要达到 200mAh/g,如果能量密度达到 400Wh/kg,正极材料就要超过 250mAh/g,如果考虑到密度,可能要达到 270mAh/g 以上。已经商业化的正极材料如锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂等,他们的比能量难以满足 400Wh/kg 锂离子动力电池能量的密度要求。计算表明,要构筑比能量达到 400Wh/kg 的锂离子电池,采用高比容量富锂氧化物正极材料和硅负极是可行的技术路线。

这是北京大学教授夏定国给出的观点。

去年 11 月,夏定国团队制备出一种 O2 构型的锰基富锂动力电池正极材料,放电比容量达到 400mAh/g 以上(比能量密度 1380Wh/kg 以上)。

在研发初期,研发人员发现这种材料有充放电效率较低、倍率性能不够好、循环稳定性较差、充放电过程中会出现持续的电压衰减等问题。在后期,夏定国团队通过表面修饰、电子结构调整等方式进行过电池优化,提高了材料的稳定性。

但是材料本身还存在电压滞后等问题,需要进一步的研究实验。也就是说,这种材料从实验室到真正走入现实还有比较长的一段路要走。

小结一下

总的来说,目前动力电池存在的最主要问题是, 随着能量密度的提高,热失控几率呈上升趋势。从整个发展规划来看,动力电池发展路线将会是这样: 正极减钴到无钴、负极加硅、电解质减有机溶剂,逐步向全固态的方向发展。在补贴逐渐退出,国家逐步取消对续驶里程、能量密度等细节要求之后,技术的决策权将回到企业,市场则会对产品进行选择。


来源:geekcar

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