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動(dòng)力電池能量密度能否再提高？
時(shí)間: 2018-11-21 10:13
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三元鋰離子動(dòng)力電池目前已經(jīng)看到能量密度的天花板了，高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)該在300Wh/kg左右，正負(fù)不超過(guò)20Wh/kg。 國(guó)家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總
我們中大部分人總是有意無(wú)意的忽略這部分物質(zhì)的含量，得出的能量密度與事實(shí)相差較大，誤導(dǎo)吃瓜群眾。其實(shí)，這部分相當(dāng)重要，就拿過(guò)去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來(lái)說(shuō)，電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質(zhì)占比的提升來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
除了提升活性物質(zhì)占比，還有不少公司和企業(yè)在電池輕量化上下功夫。通過(guò)輔材（鋼殼、箔材）輕量化技術(shù)和電芯空間利用率優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)提升電池的能量密度，但是這種做法是有一定風(fēng)險(xiǎn)的。相對(duì)會(huì)犧牲一點(diǎn)單體電池在設(shè)計(jì)上的安全性和一致性，我認(rèn)為這沒(méi)有必要，畢竟電池的穩(wěn)定關(guān)乎安全，一定要謹(jǐn)慎為之。
三元鋰離子動(dòng)力電池目前已經(jīng)看到能量密度的“天花板”了，高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)該在300Wh/kg左右，正負(fù)不超過(guò)20Wh/kg。
——國(guó)家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組專家肖成偉。
按照國(guó)家動(dòng)力電池技術(shù)路線圖的規(guī)劃，2020年鋰離子電池的單體能量密度目標(biāo)為350Wh/kg，從目前的動(dòng)力電池技術(shù)來(lái)看，肖成偉認(rèn)為這一目標(biāo)可能無(wú)法達(dá)到。
而現(xiàn)在距離2020年還有2年時(shí)間，可以產(chǎn)業(yè)化的下一代動(dòng)力電池也并沒(méi)有浮出水面。
目前，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車所搭載的動(dòng)力電池，大多數(shù)為三元鋰材料和磷酸鐵鋰材料電池。盡管相比鉛酸和鎳氫電池，能量密度已經(jīng)有了極大的提高，但是依然難以打消消費(fèi)者的里程焦慮困擾。
毫無(wú)疑問(wèn)，動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，阻礙了新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
那么，鋰離子電池密度究竟還能不能再提高了？
無(wú)論是三元鋰材料電池還是磷酸鐵鋰電池，基本都由四大關(guān)鍵部分組成，即正極、負(fù)極、電解液和膜?，F(xiàn)在基于這四種組成部分的鋰電池，再提高能量密度并做到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可能性不大。
一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用，往往要經(jīng)歷很多年的時(shí)間。
上海市機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心副主任繆文泉認(rèn)為，2020年并不是一個(gè)遙遠(yuǎn)的未來(lái)，目前還沒(méi)有看到任何確定性的解決方案，可能達(dá)成上述目標(biāo)的新一代動(dòng)力電池體系也屈指可數(shù)。
那么動(dòng)力電池達(dá)不到技術(shù)路線規(guī)劃的目標(biāo)，我國(guó)新能源汽車發(fā)展的進(jìn)程會(huì)不會(huì)受阻？
當(dāng)然不會(huì)！
因?yàn)橛绊憚?dòng)力電池性能的不僅僅是比能量密度一個(gè)指標(biāo)，還有動(dòng)力電池的比功率密度、安全性、一致性、循環(huán)壽命等多種因素，在眾多指標(biāo)和成本之間找到一個(gè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的平衡點(diǎn)，才是支撐新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。
此外，目前日韓正在研究膠體電池，這是一種沒(méi)有電解液和隔膜的新型電池，有可能給電池帶來(lái)質(zhì)變，但是現(xiàn)在還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化的消息。
在繆文泉看來(lái)，提高動(dòng)力電池比能量的技術(shù)途徑有很多：
一是工藝進(jìn)步，但如今電池工藝設(shè)計(jì)已相對(duì)成熟，提高電池比能量的空間不大；
二是材料性能的提升，受制于自身物化性能，以磷酸鐵鋰和三元鋰為正極、碳材料為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池在能量密度上很難有大的突破；
三是新材料、新體系，即開發(fā)高比能新材料、發(fā)展動(dòng)力電池新體系是未來(lái)動(dòng)力電池比能量大幅度提升的主要途徑。
如果不能有效地提高電池能量密度，那么是不是可以考慮從給電池包整體減重的角度去提高能量密度呢？
中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)張旻昱博士認(rèn)為，這個(gè)思路完全可行。她表示，動(dòng)力電池電池包中，電芯的重量一般在1/3-2/3之間，其余部分為電路板、殼體等配件。如果將這些配件的重量有效降低，同時(shí)維持現(xiàn)有電芯能量密度的情況下，電池包整體的能量密度會(huì)有一個(gè)明顯的提高。
在2010年左右，動(dòng)力電池包因?yàn)榘踩刃枰?，往往采用金屬外殼，電池包整體能量密度很低。后來(lái)在更換高聚合物外殼后，能量密度就有了一個(gè)大幅的提高。
電池包能量密度是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，提高電芯能量密度是一個(gè)直接手段，但是如果做好電芯的布置，電路的規(guī)劃，減輕殼體重量，為電池減負(fù)，也是提高電池能量密度的一個(gè)有效手段。
在實(shí)際應(yīng)用中，北汽新能源EV200車型的電池箱下箱體使用鋁合金材料，上蓋采用復(fù)合材料，能夠有效減重幾十公斤。
北汽新能源副總經(jīng)理王可峰表示，通過(guò)降低電池箱整體重量，可以實(shí)現(xiàn)整車減重，是提升電池箱能量密度的一個(gè)有效手段。另外他表示，更換更輕材料一般都會(huì)導(dǎo)致電池成本的上漲，現(xiàn)在北汽新能源也在加緊這方面的研究，爭(zhēng)取應(yīng)用更輕更強(qiáng)成本更低的材料。
目前來(lái)看，各大電池企業(yè)為達(dá)成350Wh/kg的目標(biāo)，不僅需要研發(fā)新電池，還要對(duì)電池包進(jìn)行減重，兩者要并行。
動(dòng)力電池因?yàn)檠b配在汽車之上，需要經(jīng)過(guò)各種工況的測(cè)試，要保證一定的結(jié)構(gòu)安全。將鋼殼換成碳纖維殼或其他材料的外殼，只要能保證強(qiáng)度要求，完全可行。
另外，電池包另一項(xiàng)重要指標(biāo)是散熱與均熱能力。如果電池組局部過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻不一致，電芯放電容量下降，那些放電不充分的電芯從某種意義上說(shuō)，為電池包增了重。
雖然電池包能量密度達(dá)到350Wh/kg，光靠為電池減重可能是無(wú)法達(dá)到的，但是動(dòng)力電池作為一個(gè)系統(tǒng)，這方面的作用不能忽視。國(guó)內(nèi)企業(yè)比較缺乏基礎(chǔ)性研究，過(guò)度追求高比能量電芯，這是錯(cuò)誤的，應(yīng)該均衡發(fā)展，在研發(fā)新型材料電池的同時(shí)，重視對(duì)現(xiàn)有電池體系的減重。
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