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电池知识

一再提高比能量的三元电池会是理想下一代纯电动车用电池吗?

来源:宝鄂实业    2019-05-19 20:06    点击量:

目前,长里程纯电动汽车存在里程、安全、充电、价格、电池焦虑5大焦虑。动力电池的寿命短于整车,第一套电池有国家补贴,第二、第三套电池要企业自己花钱,补贴停了之后,里程越长,原来补贴越高的电动汽车就越难卖出去。

追求长里程要有比能量高的动力电池,这就影响到安全性。当前,行业内已经形成了以提高比能量为首要指标的“惯性思维”。按这一观点来看,一再提高比能量的三元电池会是理想下一代纯电动车用电池吗?

截至去年年底,特斯拉应用三元电池的电动汽车已经烧了十几辆……其实,三元电池针刺实验一直过不了关。针刺实验是原国家标准中必要的实验,现在已经把这个实验放在一边了。

针对燃烧、爆炸情况,出现了下一代电池——全固态锂离子电池,其应用还存在界面稳定性差的问题,除非能出现像橡皮那样的全固态电解质,才可以解决这一问题。后来,研究者降低门槛,又提出了研发半固态或准固态的固态电池,不过还是要加电解液,且比功率、寿命、成本都存在问题。

近两年,日本又提出了锂硫电池。它的理论比能量高,但安全性、体积比能量、放电倍率、能量转换率、循环次数低,“5低”问题真正解决之后才能用到车上。

在追求高比能量期间,镍钴锰应用比例从333、523、622到811,危险性不断增加。虽然采取许多提高安全性的措施,但成组后的电池比能量并不是很高。例如,目前成组的三元电池约能做到160瓦时。

锂空气电池要想成为动力电池更加渺茫。它的比能量可以达到700瓦时/公斤,这样电动汽车里程就可以媲美燃油汽车,但是问题更多,且比锂硫电池问题更大,很可能是“远水解不了远渴”。

因此,我认为应该大力发展磷酸铁锂电池。最成功的锂离子体系之一是镍锰钴(NMC)的阴极组合。与锰酸锂类似,这个体系可以定制用作能量电池或功率电池。例如,中等负载条件下的18650电池中的NMC具有约2,800mAh的容量并且可以提供4A至5A放电电流; 同一类型的NMC在针对特定功率进行优化时,容量仅为2,000mAh,但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到4000mAh以上,但负载能力降低,循环寿命缩短。添加到石墨中的硅具有缺陷,即阳极随着充电和放电而膨胀和收缩,使得电池机械应力大结构不稳定。


NMC的秘密在于镍和锰的结合。与此类似的是食盐,其中主要成分钠和氯化物本身是有毒的,但将它们混合起来作为调味盐和食品保存剂。镍以其高比能量而闻名,但稳定性差;锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能量低。两种活性金属优势互补。

NMC是电动工具,电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。阴极组合通常是三分之一镍,三分之一锰和三分之一钴,也被称为1-1-1。这提供了一种独特的混合物,由于钴含量降低,也降低了原材料成本。另一个成功的组合是NCM,其中含有5份镍,3份钴和2份锰(5-3-2)。也可以使用其他不同量的阴极材料组合。

由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。

新型电解质和添加剂可以使单只电池充电至4.4V以上,从而提高电量。图7展示了NMC的特性。