风起云涌撩科技 电动汽车电池知多少!

  纠错  2018-1-4 10:50:00  纠错 推荐指数: ★★★   加入收藏

  在刚刚过去的2017年,蔚来、小鹏、车和家、威马等多家新造车势力纷纷推出了自家的首款量产车型或接近量产车的工程样车,上汽、广汽比亚迪北汽等传统汽车厂商也不断丰富着自己的新能源产品,新能源汽车领域可谓是风起云涌。

  经过这一年的酝酿,再加上将会在今年4月1日正式实施的双积分政策助力,2018年的新能源汽车市场注定厮杀惨烈。

  当然了,繁荣的景象掩盖不了新能源汽车所面临的阶段性问题,最大的问题便是动力电池的续航以及充电问题,这也是目前制约新能源汽车销售的主因。某种程度上讲,我们谈论新能源汽车,本质上就是在谈论电池。新年伊始,我们就来全方位的聊一聊现阶段的动力电池,种类有哪些?有什么优缺点?电池安全如何来保障?各家车企如何来选择?哪些电池供应商让人放心?你想知道的都会在这里。

一、我们该把电池摆在怎样的高度?

  同内燃机在传统能源汽车上的作用一样,电池是新能源汽车的动力源,其重要意义不言而喻。

在纯电动汽车上,电池除了提供动力来源外,电空调、电刹车、电转向三小电系统等也全部由动力电池来供应能源。

  在成本方面,现阶段,电池成本占比达到了整车的 30%-40%,是三大电系统(电池、电控、电机)中占比最高的部分。作为对比,传统能源汽车上的发动机大概占整车成本15%左右。综合来看,电池是决定电动汽车续航、价格、驾乘品质的关键所在,每一点都是影响消费者购买意愿的重要因素。

二、动力电池的种类以及优缺点

不同电动车的续航、价格以及充电时间不同,其中很重要的一个原因就是车辆的动力电池种类不同。至于种类是如何划分的,各自种类有什么特点,稍后再说,我们先来看看车辆动力电池的组成。

  动力电池常被称作是电池包,本质上来说,电池包就是靠一个个单个的电池芯组成的。首先,一定数量的电池芯会被组合到一起形成电池模组,然后多个电池模组再被组合到一起形成电池包。这样的组成形式有利于对电池进行统一管理与监控,同时具有不错的安全性。

电池芯、电池模块与电池包三者之间的关系。

  对动力电池有了大概的认识之后,我们再聊电池的种类就比较清楚了。说是电池种类,其实严谨一些应该说是电芯的种类。前面讲到电池包是由一个个电池芯组成的,电池芯的种类就决定了电池包的形态、续航能力、充放电效果等。

  首先,按照结构划分,电池芯可以分为圆柱电池、方壳电池以及软包电池。目前这三种结构电池芯在新能源车型上都有应用,比如特斯拉旗下车型都采用圆柱电池,日产Leaf(聆风)则采用的是软包电池。

圆柱电池、方壳电池与软包电池典型形态。

  圆柱电池应该是我们最容易想象到的结构,因为日常生活中我们最常接触的电池形式就是这种圆柱形。同我们常见的5号、7号电池类似,车用圆柱电池也具有特定的规格型号,比如18650、21700型号等,其中前两位数字表示圆柱电池的直径,18即代表18mm。三四位表示圆柱电池的高度,最后一位“0”则表示电池为圆柱形态。

这种圆柱电池最早是由索尼(SONY)公司设立标准并制造的,如今这种电池已经广泛应用在了新能源汽车领域。

  因为圆柱电池具有统一的规格,因此设计打包成模组非常方便,但是其能量密度因为规格限制会受到影响。

  方壳电池通常指具有铝制或钢制外壳方形电池,这种电池没有统一的规格限制,可以根据客户要求进行定制,相对来说,这种电池能量密度较高,重量较轻,但是长时间使用后其边角处电解液化学性能退化会比较明显,影响电池性能。

  软包电池,顾名思义其电池外壳是由一层铝塑膜包装而成,因此设计较为灵活,可以随意改变形状、薄厚,打包成模组较为灵活方便。另外,这种电池重量轻、能量密度高、循环性好。安全方面也要比方壳电池和圆柱电池要高,是目前发展潜力较大的一种电池结构。

采用软包电池的日产Leaf电池组,可以看到其电池模块并不统一,摆放方向也不一致,电池包呈现出来的形态为不规则形。

  上面是按照电池的形态划分,如果按照电池材料划分的话,电芯有磷酸铁锂、镍钴锰三锂等不同类型,这里的材料指的是电池的正极材料,负极材料目前主要以石墨为主,硅碳负极因为能够极大拓展电池能量密度因此具有很高的关注度,是目前电池发展方向之一。

  拿目前常见的磷酸铁锂电池和三元锂电池对比,两者属于优势互补,一方面磷酸铁锂具有较高的安全性,但是其循环寿命以及能量密度都较差一些。另一方面,三元锂电池具备较高的能量密度、循环寿命以及抗低温衰减能力,但是其安全性相对要低一些,至今我国仍然规定三元锂电池不能应用在大巴等商用车上。

不过也不用担心,无论是磷酸铁锂电池还是三元锂电池,应用之前都会经过火烧、碰撞、穿刺等安全测试。通过合理的电池管理系统以及温度控制系统,三元锂电池的安全性还是可以得到保障的。

三、电池供应商的崛起

  要说新能源汽车发展最大的受益者是谁,那无疑是电池供应商了。在此之前,这些电池供应商的主要客户是消费电子类厂商,相比汽车厂商而言,这些客户的需求量只能算是九牛一毛。目前全球电池供应商主要集中在中日韩美四国,其中松下、三星SDI、LG、AESC、比亚迪、宁德时代等电池供应商年出货量都呈现逐年递增态势。其中宁德时代等电池供应商更是从名不见经传的“小厂”跻身行业领导者。

华晨宝马首款高端纯电动车“之诺1E”的动力电池系统由宁德时代和宝马共同开发,由宁德时代制造,与宝马的合作让宁德时代声名鹊起,随后大众、北汽、上汽等汽车厂商纷纷寻求合作。

  面对崛起的电池供应商,大部分汽车厂商都抱以扶持和合作姿态,以谋求共赢。比如特斯拉和松下合作投资在美国建立Gigafactory超级电池工厂、上汽与宁德时代合作共建工厂、比亚迪与国轩高科合作共建工厂等,车企与电池厂商联姻的例子举不胜举。

特斯拉位于内达华州的Gigafactory工厂计划产能是35GWh,这一数字相当于2013年全球电池产量总和,最大产能实现之后电池成本预计可以削减30%。

  在合作浪潮中也有不少例外,比如日产便抛售了自己控股的AESC电池公司。日产表示随着电动汽车的普及,电池行业将告别高利润,格局可能面临洗牌。从整车企业角度来看,开放采购而不是把控一两家电池供应商,技术路线上风险更低,也有利于降低成本。

AESC为日产与日本电器NEC在2009年组建的合资公司,日产持有51%股份,而其余股份为NEC持有。2016年,AESC以1622MWh的出货量,仅次于松下、比亚迪和LG化学,排名全球第四。

  有人看得开就有人着急,欧盟在前段时间召开会议商讨电池产业问题,在汽车行业一直强势的欧洲厂商面对新能源发展似乎动作缓慢了些,在电池行业上更是被中日韩美拉开差距,为此欧盟鼓励欧洲地区公司对电池产业进行投资,其中德国大众集团以及奔驰、宝马公司都有创立自己电池工厂的意图,甚至已经采取了相关部署。

去年法兰克福车展期间,大众公布大规模电动车发展计划《Roadmap E》,其中非常重要的一条信息就是大众将投资500亿欧元来发展电动车电池产业。

四、电池回收问题

  废旧电池存在高污染性,这一点想必是人尽皆知,随着新能源汽车的增多,将来废旧电池回收问题不得不考虑。回想一下,自己家中的废电池都是怎样处理的,如果我没有猜错的话,百分八十是放在抽屉里当它不存在一样吧。

  目前三元锂电池包循环寿命大概在2000次左右,磷酸铁锂电池包表现会相对差一些,但是按照正常使用的话使用年限也在10年左右,对于现阶段来说电池回收可能不是大问题,但两三年后就不得不“还债”了。对于追求利润的车企来说,废电池回收显然是费力不得好,但不得不面对,现阶段还没有特别明确的规定或制度,将来政府、电池生产厂商、车企应该会联合起来应对这一难题。

  目前已有的处理方案是对老旧电池进行筛选,状况较好的可能会被用作低耗能设备的储能装置,对于状态较差的就要拆解回收了。

这是BOSCH公司关于电池回收问题的解决方案,把废旧电池进行拆解重组,然后当做储能系统用来平衡电网电压。

五、未来电池发展

  虽然说电动车的续航里程不只是由电池来决定的,但现阶段电动汽车续航确实受到电池技术的制约,下面列出了目前比较具有发展潜力的电池种类。

1、硅碳复合负极材料   硅碳复合材料作为未来负极材料的一种,其理论克容量比石墨类负极高出了10倍有余,其产业化后,将大幅提升电池的容量。目前各大材料厂商纷纷在研发硅碳复合材料,如BTR、革鑫纳米、杉杉、华为、三星等。现在硅碳复合材料存在的主要问题有:充放电时,体积膨胀,吸液能力强;循环寿命差。目前正在通过硅粉纳米化,硅碳包覆、掺杂等手段解决以上问题,且部分企业已经取得了一定进展。 2、石墨烯   石墨烯自2010年获得诺奖以来,广受全球关注,特别是在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮,其具诸多优良性能,如导电性能优异、导热性较高,机械强度高。   由于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。 3.固态电池   固态电池是用特殊的固态材质代替液态的电解液,这样一来,锂电池自身的安全问题就彻底得到了根治。另外,固态电池相比同体积的锂电池容量至少提升两倍,在相同的续航里程下,固态电池体积可以做得更小、更轻。在充电速度方面,固态电池也具有明显的优势。

  编辑点评:电动化趋势虽然非常明确,但是电动汽车普及难度还非常大,其中电池性能是非常关键的一点。低价格电动车续航里程短、驾乘体验不佳,高价格电动车续航里程虽然提升,但是较高的身价也注定了其是少数人的选择,对于推动新能源汽车普及意义不大。升级电池性能是新能源汽车普及的根本之一。

 

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