在過(guò)去的幾年里,隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)的快速增長(zhǎng),我國(guó)的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。新能源汽車(chē)的核心部件當(dāng)屬汽車(chē)動(dòng)力電池,也就是新能源汽車(chē)的能量來(lái)源,直接決定了汽車(chē)的續(xù)航里程。
中國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)以本土企業(yè)占主導(dǎo),企業(yè)格局分層明顯,按照技術(shù)水平和市場(chǎng)表現(xiàn)主要分為四個(gè)梯隊(duì),第一梯隊(duì)企業(yè)比亞迪和寧德時(shí)代技術(shù)領(lǐng)先,規(guī)模效應(yīng)導(dǎo)致成本下降明顯,在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
三元電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車(chē)和商用車(chē)領(lǐng)域都是主導(dǎo)應(yīng)用,目前乘用車(chē)電池以三元為主,商用車(chē)電池以磷酸鐵鋰電池為主。
動(dòng)力電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜等組成,要求高能量密度、長(zhǎng)壽命、可靠安全。其工作原理是通過(guò)正負(fù)極材料及電解液之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子的移動(dòng)從而產(chǎn)生電流。
充電時(shí)(以估算鋰電池為例),電池的正極上有Li﹢生成,Li﹢從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解液嵌入負(fù)極;放電時(shí)則相反,Li﹢從負(fù)極脫嵌,經(jīng)過(guò)電解液嵌入正極。
以下時(shí)目前動(dòng)力電池中最常見(jiàn)的三種,鎳氫電池面臨淘汰,鉛酸電池全憑保有量在職稱(chēng),故目前以鋰電池最為主流。
比能量是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能,單位是Wh/kg;
比功率是描述電池在瞬間能放出能量的能力,單位是W/kg;
比能量高的動(dòng)力電池就像龜兔賽跑里的烏龜,耐力好,可以長(zhǎng)時(shí)間工作,續(xù)航里程長(zhǎng);而比功率高的動(dòng)力電池就像百米賽跑里的博爾特,速度快,可以提供很高的瞬間電流,以保證汽車(chē)的加速性能。然而魚(yú)與熊掌不可兼得,通常一種電池不能同時(shí)具備高比能量和高比功率。
能量密度方面電池肯定不如汽油,但是究竟差別多大呢?
一箱50L的汽油大概可以跑600km,續(xù)航同樣里程的電動(dòng)車(chē)需要多少電池呢:
汽油的比能量為11kWh/kg,1L汽油約重0.742kg,按車(chē)載50L計(jì)算,滿(mǎn)載是37.1kg,釋放的能量為408.1kWh。
三元鋰電池的比能量為150Wh/kg,408.1kWh的能量需電池2700kg,假設(shè)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的效率差為3倍,相當(dāng)于900kg電池的能量。
動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)上的能量源,必然會(huì)比我們平時(shí)生活中使用的電池有更高的穩(wěn)定性要求。高溫、低寒、強(qiáng)碰撞等情況都有可能出現(xiàn),故作為動(dòng)力電池,穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的一個(gè)指標(biāo)。
對(duì)于動(dòng)力電池,電池的一致性、充放電的循環(huán)次數(shù)直接決定了車(chē)輛的使用壽命。
什么是電池的一致性?簡(jiǎn)單的說(shuō)就是同型號(hào)單個(gè)電池之間的重量、電壓、內(nèi)阻等關(guān)鍵指標(biāo)的偏差程度,偏差越大,一致性越差。事實(shí)上,新能源汽車(chē)電池是把大量的單個(gè)電池通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式組成電池組,串聯(lián)得越多,不一致性放大倍數(shù)越多,電池壽命越短。這也是我們?nèi)粘I钪胁煌放?、新舊程度不一的電池不要混用的原因。
單個(gè)電池組成的電池組
另外,電池的循環(huán)壽命還和用戶(hù)的充放電習(xí)慣相關(guān),不同類(lèi)型的鋰電池其充放電特性會(huì)有些許差別,但大體趨勢(shì)是一致的,這里就目前特斯拉采用的三元里電池來(lái)說(shuō)明。
三元鋰電池循環(huán)次數(shù)和充放電特性圖
從上圖可以看出,同樣衰減至60%的容量,不同充放電方式的結(jié)果大不一樣。其中以25%~75%的充電方式(即所謂“淺充淺放”)最為合適,可達(dá)2500次,每天充放一次壽命都大概達(dá)到7年!
目前使用較多的鋰動(dòng)力電池主要有以下幾類(lèi),以正極材料為劃分依據(jù):
以下列出了四類(lèi)鋰電池的主要性能指標(biāo)差別
從上表可以看出,以上四類(lèi)電池各有優(yōu)劣,哪種電池又將是未來(lái)的主流呢?
數(shù)碼電子產(chǎn)品對(duì)鋰電池安全性要求不高,故鈷酸鋰電池最合適的其實(shí)是3C領(lǐng)域,特斯拉敢于使用此類(lèi)電池,也是為了得到超強(qiáng)的續(xù)航能力,但同時(shí)其安全性能要打些折扣,即便其有著號(hào)稱(chēng)最頂尖的電池管理系統(tǒng)??偟膩?lái)說(shuō),鈷酸鋰電池并不適合做動(dòng)力電池。
錳酸鋰電池因其不偏不倚的特征贏(yíng)得動(dòng)力電池最大的市場(chǎng)占有率,雖然其能量密度不如鈷酸鋰和三元鋰,但其他綜合性能相當(dāng)出色!
磷酸鐵鋰電池是中國(guó)企業(yè)的“彎道超車(chē)”夢(mèng)想,如果不是較低的能量密度限制了磷酸鐵鋰電池,其真的有可能成為動(dòng)力電池中的霸主,其安全性能和壽命這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)都是頂尖的。
如果說(shuō)國(guó)內(nèi)把鋰電池的發(fā)展重心放在了磷酸鐵鋰電池上,國(guó)際動(dòng)力鋰電池行業(yè)的新星非三元鋰電池莫屬了,它比鈷酸鋰更高的能量密度,成本低于鈷酸鋰,安全性亦好于鈷酸鋰。
不同車(chē)企對(duì)于動(dòng)力鋰電池的不同選擇都是基于不同的側(cè)重點(diǎn)。
從安全穩(wěn)定性、能量密度和循環(huán)壽命三個(gè)方面對(duì)比來(lái)看,文中所述這四種電池的排序如下:
各類(lèi)鋰電池及其代表車(chē)型數(shù)據(jù)如下表所示:
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