介绍几种动力电池快充技术路线
来源：宝鄂实业
2019-06-30 16:35
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据目前动力电池市场形势来看，国内动力电池企业对于快充技术的探索未曾停止。钛酸锂、多元复合锂和磷酸铁锂技术路线多方争霸已经在国内快充市场上展开拉锯战，目前来看几种技术路线各有优劣。据目前形势来看，快充已经成为识别新能源汽车动力电池的又一个重要标签。
钛酸锂电池快充路线作为国内较早出现的快充技术路线，发展至今技术方面日臻成熟。攻克钛酸锂电池“胀气”难关后，钛酸锂成为一种较为理想的快充电池材料。钛酸锂快充电池具有高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，在新能源公共交通领域具有较大优势。但由于电池材料本身能量密度偏低、加之钛酸锂材料价格较贵，钛酸锂快充电池的发展受到一定的制约。电池企业对此进行了多方探索，希望立足于快充这一特点，寻找到最为理想的电池材料。
一些企业将研发方向转向成本较低、安全性较强的磷酸铁锂材料。磷酸铁锂是国内慢充电池的主要研发方向之一，由于材料的导电性限制，传统的磷酸铁锂电池在快充时会产生温度过热的现象。经过尝试，通过晶粒细化、表面碳包覆、晶胞元素掺杂等手段对磷酸铁锂进行改性，成功提高了磷酸铁锂的导电性能，使传统的磷酸铁锂材料具备了快充属性。磷酸铁锂正极材料成本较为低廉、安全性较好、能量密度适中，在快充产品中具有一定优势。但磷酸铁锂电池在低温条件下使用性能并不理想，在使用环境上具有一定局限性。
除了磷酸铁锂外，多元复合材料也成为快充电池的探索方向。三元材料便是其中一个方面的尝试。三元材料快充电池主要通过负极的碳基材料改性，增加了负极碳基材料的孔隙，从而加大负极材料的表面积，使锂离子迁移和嵌入的通道数量大幅增加。通过高比能量的材料搭配，使得电池产品在满足快充的前提下，能量密度得到一定程度的提高。但由于三元正极材料含有稀缺金属，材料的成本较高;目前以目前技术来看，三元快充电池整体的能量密度表现并不理想;而且三元材料性质活跃，三元快充电池的安全性也略低于其他快充电池。
随着近年来锰酸锂正极材料取得突破，锰酸锂快充电池正在悄然崛起。锰酸锂快充电池以锰基正极材料为主，相较于三元材料，锰资源丰富、成本低廉、污染较小、安全性好、倍率性能好。传统的锰酸锂材料能量密度较低，但随着技术的突破，锰酸锂能量密度有着较大的提升。
快充动力电池之争将在未来继续进行下去，相信通过技术手段的进步，动力电池企业将把更多不可能变为可能。而每一次电池产品的迭代，都是动力电池企业核心科技实力的彰显。目前快充电池依然存在一些瓶颈，快充电池是否能够冲破这些瓶颈，对未来的动力市场格局将产生影响深远。
我们都知道，能量密度、功率密度，安全性能、充电时间、耐环境的高低温是评估锂电池性能的五大指标，而目前我国在锂电池技术上后四点已初步达标，但在能量密度上需要进一步精进工艺，等待进步。
目前大热的钛酸锂材料也值得关注。它可以替代石墨作为负极材料。虽然能量密度不高，但钛酸锂可以让电池实现高倍率充放电，且安全性能优异，循环寿命长。据悉，银隆现在所研发的第四代高能量密度钛酸锂电池，与第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。业界乐观预计，未来钛酸锂电池可能将与三元锂电池和磷酸铁锂电池形成三足鼎立的局面。
虽然锂离子电池成本偏高是行业发展面临的严峻挑战，但许多企业一直致力于提高锂离子电池的性价比。据EnergyTrend分析师Duff(吕理舜)对锂电池价格的分析结果，锂电池的价格在17年第一、二、三季度都有少许涨势，但总体而言，近年来随着市场对锂电池的需求持续扩大，锂电池的大规模量产，其成本正在逐年下降，目前的价格而言足以被商业化开发并广泛利用。动力锂电池衰减到初始容量80%以下后，可以梯次利用到储能领域，进一步降低了储能锂电池的成本。
锂离子电池具有较高的比能量、放电电压和较好的循环寿命等优点， 被认为是纯电动汽车(EV) 和混合电动汽车(HEV) 的最佳储能设备之一。热管理系统是保证大功率锂电池组安全运行的核心技术之一， 温度太高会导致锂电池面体电解质(SEI) 膜的破坏， 从而缩短电池循环寿命， 并可能引起电池爆炸等安全问题。因此， 研究复杂工况条件下锂电池工作的热特性是开发电池热控技术的基础， 对于发展动力电池热管理系统具有重要的科学指导意义。
目前， 对于锂电池发热特性的研究， 主要采用数值模拟和实验分析。在等Doyle提出的电化学模型和等bernardi提出的电池能量方程的基础上， 国内外学者已经发展了多个锂电池热电耦合模型， 如采用热电耦合模型计算了锂池在不同温度下的放电特性， 并且分析了与温度相关的参数对锂电池放电特性的影响。
和采用热电耦合模型对卷绕式锂离子电池的温度进行了计算， 并对其内部不同热源的发热量进行了详细分析。j.vazquez-arenas等采用热电耦合模型对方形锂离子电池进行了模拟， 研究了电池温度对其放电特性和锂离子浓度分布的影响， 并对电池内部不同热源的发热量进行了定量分析。目前大多数文献有关锂电池热特性的研究均采用热电耦合模型， 但很少考虑到锂电池的容量衰退问题。锂电池在充放电循环过程中， 负极膜会由于的沉积逐渐增厚导致锂电池内阻增大， 从而会引起锂电池发热率的显著增加。等在锂电池的热电耦合模型中考虑了循环衰退问题， 分析了温度对锂电池容量衰退的影响， 但是其对锂电池的容量衰退过程采用由实验数据拟合函数， 建立的模型和研究结果仅适用于其研究的特定锂电池， 缺乏通用性。等提出了包括锂电池容量衰退过程的热电耦合模型， 但其采用的正极活性物质的溶解仅在锂锰电池中较为明显， 不适用于钴酸锂和铁锂电池， 而且该研究未给出锂电池循环过程中的热量变化特性。
储能产业的发展或将延续锂电池设备景气度。新能源汽车行业产业的快速发展带动了锂离子电池技术的飞速进步，锂电池成本逐渐下降，同时能量密度也处于上升通道中。随着电池技术和储能行业的商业模式的进一步成熟，储能行业将迎来快速的发展，有望延续锂电设备的景气周期。
锂离子电池好处虽多，但其缺点也很明显。锂电池的制作成本高，制作设备昂贵人工成本占到制作成本的40%左右，价格大概是铅酸电池的三倍左右。还有一个缺点就是大家都担心的，锂电池存在起火爆炸安全隐患，尤其是在消费者在不知情的情况下被骗导致购买劣质锂电池，在电动车这种密封条件不是太好，容易潮湿导致接触不良等原因引发可能存在的安全隐患。不过现在锂电池的技术性能也在不断提高，也正在使用高安全性的材料，前景也是一片大好。
目前大热的钛酸锂材料也值得关注。它可以替代石墨作为负极材料。虽然能量密度不高，但钛酸锂可以让电池实现高倍率充放电，且安全性能优异，循环寿命长。据悉，银隆现在所研发的第四代高能量密度钛酸锂电池，与第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。业界乐观预计，未来钛酸锂电池可能将与三元锂电池和磷酸铁锂电池形成三足鼎立的局面。
虽然锂离子电池成本偏高是行业发展面临的严峻挑战，但许多企业一直致力于提高锂离子电池的性价比。据EnergyTrend分析师Duff(吕理舜)对锂电池价格的分析结果，锂电池的价格在17年第一、二、三季度都有少许涨势，但总体而言，近年来随着市场对锂电池的需求持续扩大，锂电池的大规模量产，其成本正在逐年下降，目前的价格而言足以被商业化开发并广泛利用。动力锂电池衰减到初始容量80%以下后，可以梯次利用到储能领域，进一步降低了储能锂电池的成本。
锂离子电池具有较高的比能量、放电电压和较好的循环寿命等优点， 被认为是纯电动汽车(EV) 和混合电动汽车(HEV) 的最佳储能设备之一。热管理系统是保证大功率锂电池组安全运行的核心技术之一， 温度太高会导致锂电池面体电解质(SEI) 膜的破坏， 从而缩短电池循环寿命， 并可能引起电池爆炸等安全问题。因此， 研究复杂工况条件下锂电池工作的热特性是开发电池热控技术的基础， 对于发展动力电池热管理系统具有重要的科学指导意义。
目前， 对于锂电池发热特性的研究， 主要采用数值模拟和实验分析。在等Doyle提出的电化学模型和等bernardi提出的电池能量方程的基础上， 国内外学者已经发展了多个锂电池热电耦合模型， 如采用热电耦合模型计算了锂池在不同温度下的放电特性， 并且分析了与温度相关的参数对锂电池放电特性的影响。
和采用热电耦合模型对卷绕式锂离子电池的温度进行了计算， 并对其内部不同热源的发热量进行了详细分析。j.vazquez-arenas等采用热电耦合模型对方形锂离子电池进行了模拟， 研究了电池温度对其放电特性和锂离子浓度分布的影响， 并对电池内部不同热源的发热量进行了定量分析。目前大多数文献有关锂电池热特性的研究均采用热电耦合模型， 但很少考虑到锂电池的容量衰退问题。锂电池在充放电循环过程中， 负极膜会由于的沉积逐渐增厚导致锂电池内阻增大， 从而会引起锂电池发热率的显著增加。等在锂电池的热电耦合模型中考虑了循环衰退问题， 分析了温度对锂电池容量衰退的影响， 但是其对锂电池的容量衰退过程采用由实验数据拟合函数， 建立的模型和研究结果仅适用于其研究的特定锂电池， 缺乏通用性。等提出了包括锂电池容量衰退过程的热电耦合模型， 但其采用的正极活性物质的溶解仅在锂锰电池中较为明显， 不适用于钴酸锂和铁锂电池， 而且该研究未给出锂电池循环过程中的热量变化特性。
储能产业的发展或将延续锂电池设备景气度。新能源汽车行业产业的快速发展带动了锂离子电池技术的飞速进步，锂电池成本逐渐下降，同时能量密度也处于上升通道中。随着电池技术和储能行业的商业模式的进一步成熟，储能行业将迎来快速的发展，有望延续锂电设备的景气周期。
锂离子电池好处虽多，但其缺点也很明显。锂电池的制作成本高，制作设备昂贵人工成本占到制作成本的40%左右，价格大概是铅酸电池的三倍左右。还有一个缺点就是大家都担心的，锂电池存在起火爆炸安全隐患，尤其是在消费者在不知情的情况下被骗导致购买劣质锂电池，在电动车这种密封条件不是太好，容易潮湿导致接触不良等原因引发可能存在的安全隐患。不过现在锂电池的技术性能也在不断提高，也正在使用高安全性的材料，前景也是一片大好。
