新能源电池分类、优势及突破
发布日期:2018-03-13        

主题词新能源电池



在过去的几年里,随着新能源汽车产销的快速增长,我国的动力电池产业有了长足的发展。新能源汽车的核心部件当属汽车动力电池,也就是新能源汽车的能量来源,直接决定了汽车的续航里程。

 

三元电池和磷酸铁锂电池在乘用车和商用车领域都是主导应用,目前乘用车电池以三元为主,商用车电池以磷酸铁锂电池为主。

 

新能源电池的分类一、铅酸电池

 

铅酸电池作为比较成熟的技术,因其成本较低,而且能够高倍率放电,依然是唯一可供大批量生产的电动车用电池。北京奥运会时,有 20 辆使用铅酸电池的电动汽车,为奥运会提供交通服务。

 

但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密度都很低,以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程。

 

二、镍镉电池和镍氢电池

 

虽然性能好于铅酸电池,但含有重金属,使用遗弃后对环境会造成污染。

 

镍氢动力电池刚刚进入成熟期,是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系,现有混合动力电池 99 %的市场份额为镍氢动力电池,商业化的代表是丰田的普锐斯。目前全球主要的汽车动力电池厂商主要有日本的 PEVE 和 Sanyo , PEVE 占据全球 Hybrid 动力车用镍氢电池 85 %的市场份额,目前主要的商业化的混合动力汽车如丰田的 Prius 、 Alphard 和 EsTIma ,以及本田的 Civic , Insight 等均采用 PEVE 的镍氢动力电池组。在我国,长安杰勋、奇瑞 A5 、一汽奔腾、通用君悦等品牌轿车已经在示范运行,他们采用的也都是镍氢电池,不过电池主要向国外采购,国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。

 

三、锂电池

 

传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟,但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的问题。目前,越来越多的汽车厂家选择采用锂电池作为新能源汽车的动力电池。

 

因为锂离子动力电池有以下优点:工作电压高(是镍镉电池氢-镍电池的 3 倍);比能量大(可达 165WH / kg ,是氢镍电池的 3 倍);体积小;质量轻;循环寿命长;自放电率低;无记忆效应;无污染等。

 

当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力锂电池汽车,如美国福特、克莱斯勒,日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国 Courreges 、 Ventury 等。而国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动力和纯电动汽车中搭载动力锂电池。

 

目前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是:安全性能和汽车动力电池的管理系统。安全性能方面,由于锂离子动力电池具有能量密度大、工作温度高、工作环境恶劣等方面的原因,加上以人为本的安全理念,因此,用户对电池的安全性提出了非常高的要求。汽车动力电池的管理系统方面,由于汽车动力电池的工作电压是 12V 或 24V ,而单个动力锂离子电池的工作电压是 3 . 7V ,因此必须由多个电池串联而提高电压,但由于电池难以做到完全均一的充放电,因此导致串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况,电池会出现充电不足和过放电现象,而这种状况会导致电池性能的急剧恶化,最终导致整组电池无法正常工作,甚至报废,从而大大影响电池的使用寿命和可靠性能。

 

四、磷酸铁锂电池

 

磷酸铁锂电池也是一种锂电池,其比能量不到钴酸锂电池的一半,但是其安全性高,循环次数能达到 2000 次,放电稳定,价格便宜,成为车用动力新的选择。

 

比亚迪提出的“铁电池”,业界人士认为其为磷酸铁锂电池的可能性较大。

 

五、燃料电池

 

简单地说,燃料电池( Fuel Cell )是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

 

最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是:将氢气送到负极,经过催化剂(铂)的作用,氢原子中两个电子被分离出来,这两个电子在正极的吸引下,经外部电路产生电流,失去电子的氢离子(质子)可穿过质子交换膜(即固体电解质),在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得,只要不断给负极供应氢,并及时把水(蒸汽)带走,燃料电池就可以不断地提供电能。

 

因为燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在 45 %~ 60 %,而火力发电和核电的效率大约在 30 %~ 40 %。

 

新能源汽车电池突破

 

“在过去一年里,电动汽车产业正在向高质量发展转型,形势很喜人。” 1 月 7 日,在中国电动汽车百人会召开钓鱼台论坛前夕,中国电动汽车百人会理事长陈清泰在接受 21 世纪经济报道记者采访时表示。

 

高质量发展转变的主要表现为:正向开发几乎完全取代了逆向开发、创新能力持续提高、整体技术水平上了一个很大的台阶;电动汽车在用户和市场上的接受程度迅速提高;主要产品从中低档转向了中高档,部分已经提出要瞄准高档车、豪华品牌。

 

同时,当全球主要汽车企业争先恐后地公布向电动车转型时,我国电动汽车的产业体系在逐渐完善,主要零部件特别是动力电池方面,始终保持国际一流的水平,主要零部件水平、配套能力提升很快。

 

性价比将超燃油车

 

2017 年, 1 - 11 月份我国新能源车累计销售 60 . 9 万辆,同比增长 51 . 4 %,距离完成 70 万辆的年度目标仅一步之遥。有专家预测, 12 月的销售数据还没有出来,不过 2017 年新能源汽车总销量可能超过 80 万辆。

 

“电动汽车再往前发展要跨越一个临界点,就是电动车的性价比达到和超过燃油车,如果跨过了这个坎,电动车就可以依托市场力量自主发展了,现在还得靠政策、靠政府补贴。”陈清泰告诉记者,当财政补贴完全取消之后,双积分政策作为替代政策,新能源汽车积分比例将在 2020 年 12 %的基础上,继续上调。

 

这个临界会出现在什么时候?陈清泰的判断是,大约在 2025 年前后。

 

对此,陈清泰建议车企要在以下几个方面做好准备:首先是在财政补贴退坡之后,做好可持续发展的保障工作,另外电动车自身要通过轻量化、节能化提高性价比;其次,产品技术要双线作战,其中一条战线是完善汽车的行驶功能,另一条战线则是将智能网联和共享化应用到新能源汽车上;第三,自动驾驶是争夺未来的一个制高点;第四,在有限的时间要抓紧做品牌建设。

 

同时,随着汽车产业与电动化、智能化、信息化等新技术的深度融合,我国涌现出了一大批新势力造车公司,从跟随到影响全球,中国汽车产业正在走出了一条由汽车大国迈向汽车强国的道路。

 

“要在电动汽车上真正在全球站住脚,或者干出我们的特色,要是完全依赖电动化也是没戏的,很难比传统汽车做得更好。但是如果在网联化、智能化、共享出行等方面能够发力的话,完全有可能战胜,因为这是我们的强项。我非常希望互联网企业要大跨度进入电动车行业,要分享这块蛋糕,改变传统汽车的基因。”陈清泰说。

 

不过,中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高强调,虽然电动汽车的核心技术通常来说是电池、电机、电控,然而对整车厂来说,它们更多地是做品牌、技术、营销服务的集成。

 

相比传统汽车,这一点在电动车上体现尤为明显,而我国车企与国外车企差距更多的是表现在综合电耗上。“日产的新一代聆风,在欧洲工况下 40 度电跑 300 多公里,在日本工况下甚至可以跑到 400 公里,我们国家车企和他们的差距还是比较大的。”欧阳明高告诉记者。

 

动力电池比能量突破很大

 

欧阳明高同时表示, 2017 年我国动力电池技术已经取得了实质性进展,动力电池系统能量密度已达到 150 瓦时/公斤甚至以上,锂离子动力电池单体比能量有望于 2020 年前实现 300 瓦时/公斤目标。

 

2017 年 3 月 1 日,工信部、发改委、科技部、财政部四部委印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》(以下简称“行动方案”)中提出了动力电池发展的主要目标,到 2020 年,新型锂离子动力电池单体比能量超过 300 瓦时/公斤;系统比能量力争达到 260 瓦时/公斤、成本降至 1 元/瓦时以下,使用环境达- 30 ℃到 55 ℃,可具备 3C 充电能力。到 2025 年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达 500 瓦时/公斤。

 

“目前国内外技术研发基本处于同一水平,不过锂离子电池的核心是安全性。”欧阳明高表示,在新能源汽车专项研究方面,宁德时代新能源、天津力神、合肥国轩已经取得了较大的技术突破。

 

据了解,宁德时代动力电池单体能量密度已经达到 304 瓦时/公斤,循环寿命基本上在 1000 次左右,安全性检测全部通过;另外力神和国轩团队循环寿命和能量密度与目标要求相差无几。

 

但我国动力电池技术发展并不均衡。欧阳明高告诉记者,当前我国动力电池研究具体可总结为四个方面:一是 2020 年 300 瓦时/公斤的单体比能量可实现产业化,但安全性要加强;二是作为实现远期目标的两类新体系,锂硫、锂空气电池方面,目前国内外进展相对缓慢, 2017 年没有看到突破性的进展;三是固态电池的研发产业化持续升温,但受到固/固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约,真正的全固态锂金属负极电池还没有成熟,但是以无机硫化物作为固态电解质的锂离子电池出现突破;四是中国在高容量富锂正极材料方面, 2017 年取得了一些突破,基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池比锂硫和锂空电池更具可行性。

 

据此判断, 2020 年,我国动力电池单体能量密度将实现 300 瓦时/公斤、比功率达 1000 瓦时/公斤,循环 1000 次以上,成本 0 . 8 元/瓦时以内; 2020 - 2025 年,动力电池单体能量密度从 300 瓦时/公斤可以提升至 400 瓦时/公斤,每瓦时成本从 0 . 8 元降到 0 . 6 元以内。

 

“ 2025 年,具备一般性价比的纯电动轿车合理的里程是 300 - 400 公里。但 2030 年,最大的技术突破将体现在电解质上,固态电池会规模产业化,电池单体比能量有望冲击 500 瓦时/公斤。 2030 年,常规的性价比车型,续航里程应该可以达到 500 公里以上。”欧阳明高称。

 

汽车电池技术最新突破

 

前不久美国菲斯科汽车发布的一则专利消息引起了全世界的瞩目,它所研发一种固态电池,能仅用 1 分钟的充电时间,将电动汽车的续航能力提升到 804 公里,并且能在 2020 年通过材料和制造技术的进展将成本降到常规锂电池的三分之一。

 

 

 

固态电池也由此进入大多数人的视野,其实从原理上说和目前的液态锂电池是一样的,最大的区别就是电解液变成了固态,凭借密度、结构优势将更多带电离子聚集在一端,可以传导更大的电流,电池容量因此大幅度提升。

 

固态电池最显著的特点有两个,一是能量密度大,很多实验室已经做到了 300 - 400Wh / kg ,这是传统锂电池的 2 . 5 - 3 倍,另外就是更安全,更大程度杜绝了电池破裂或高温等意外带来的燃烧隐患。

 

当然固态电池也有缺点,就是电导率总体偏低、内阻较大、充电速度慢,至于美国菲斯科汽车如何做到充电 1 分钟,续航 800 公里,那是它的核心机密了,

 

总的来看,如果固态电池能真正低成本产业化面向市场,将彻底解决当前电动汽车普及的核心难题,新能源汽车将真正做到杀死汽油车。

 


来源:中国高科技行业门户
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