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如何加快提升電池性能
 

隨著新能源汽車銷量的快速攀升,動力電池也得到了快速發展。相關統計數據顯示,2016年中國鋰電池總量達28GWh,涌現出了多個特大型電池生產企業,電池技術得到了長足進步。

總體上看,國內電池技術發展方向趨于明朗,為后續發展奠定了基礎。與此同時,電池快充、壽命和能量密度等指標也有待進一步優化。

技術路線趨于明朗

三元、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等材料體系如何選擇?圓柱、方型和軟包結構又如何取舍?之前爭議較多。

但是隨著新能源汽車市場的快速發展,業界對三元、鐵鋰、錳酸鋰和鈦酸鋰電池的發展應用方向也逐漸趨于一致,三元電池和磷酸鐵鋰電池主流地位愈加鞏固,能量密度高的三元電池將統領新能源乘用車市場,熱穩定性能好的鐵鋰電池是客車市場的主力軍。

隨著三元電池可靠性的提高以及客車市場限制的取消,三元電池與磷酸鐵鋰電池2:7的占比局面將被打破。其中,三元電池占比將進一步擴大,而鈦酸鋰電池則由于理論壽命長、快充時間短等特點,仍將在快充客車和快充出租車領域占有一定比例,但由于能量密度和價格方面的“偏科”,也決定了其在動力電池領域的配角地位。個人認為,儲能將是鈦酸鋰電池發揮特長的重要領域。

碳化硅、鋰硫、鋰空氣和石墨烯,甚至是固態聚合物電池,仍屬于實驗室技術,離產業化還有一定距離。例如,話題不斷的石墨烯最好作為添加劑,起到快速導熱的作用,而作為動力電池的負極或正極材料的主要成分還有待突破。

圓柱型、方型和軟包結構的鋰電池憑借自身技術的特點,尋找最適合其應用的技術領域。圓柱型電池具有價格優勢且適應于異形包的布置,在私家車、物流車領域占據主流;方型和軟包電池可克服圓柱電池散熱量大的弊病,適用于快充要求苛刻的出租車和網約車。

而在方型和軟包結構的電池博弈中,國內由于CATL、比亞迪和國軒高科等企業的路線選擇,方型結構的電池優勢明顯,但縱觀世界格局,隨著市場對能量密度為300Wh/kg,甚至是500Wh/kg電池的需求,軟包結構在能量密度方面的優勢將得到很好的體現,加之軟包的高安全性,比例也將會逐步加大。

電池性能有待提升

電池性能遵循著“木桶定律”,電池包是以性能最差的單體或模組進行計算,這就要求單體電芯制造、成組工藝和電池包集成技術都要做到精益求精。

現有電池的性能可以滿足特定車型需求,例如,在熱管理方面,客車車速較低,電池包周圍空間大、空氣流動性好,主流自然風冷就可以滿足。在電池壽命方面,8年或12萬公里的質保基本滿足私家車的需求。

A級新能源車的市場占有率是真正體現技術發展和用戶接受程度的重要指標。當前出租車和網約車是A級純電動汽車銷售的主要市場,電池實際性能還不能滿足該領域車輛需求。

對于出租車和網約車等車型的快充速度,尤其是在“熱車”和“冷車”情況下的快充速度有著特殊要求,常溫下電池從10%~80%基本需30~40分鐘。但當夏天車輛跑完一個循環工況后,自然風冷電池包溫度接近45度,有些電池甚至超過50度時,三元電池開始限流,充電速度減慢,時間延長3倍以上,這樣就滿足不了網約車和出租車的需求。

同樣,在低于零度時,充電電流為零或者僅為常溫下的十分之一。對此,現有方法是加裝PTC或加熱電阻絲,但這種方法一般會導致冷熱不均,最高和最低溫度相差較大,影響到電池包壽命。

自2017年以來,液冷或直冷熱管理系統應用趨勢明顯,部分車型開始批量使用,其他車企也在加快開發以解決快充速度問題。

除了快充指標,電池壽命也是考驗電池的最大難題之一。一般大中型城市的出租車和網約車,年行駛里程在7~8萬公里,而在北京、上海等一線城市里,年行駛里程超過則12萬公里。出租車市場對電動汽車質保要求是6年或40萬公里,有些甚至是8年或60萬公里,但電池現有標準的8年或12萬公里根本不能滿足要求。

近幾年,隨著工藝質量的提升,電池循環壽命從1000次到2000次,甚至提高到3000次,不低于初始放電容量的80%。如國內有個別電池廠家對寶馬車型承諾的是電芯萬次初始放電容量達到80%以上,盡管是淺充淺放,但也可見電池壽命快速提升。

整包能量密度偏低

180Wh/kg的能量密度是當前國內三元單體電池的較高技術,磷酸鐵鋰電池的能量密度為三元的80%左右,鈦酸鋰更是不足三元電池的一半。與國外相比,國內電池的能量密度與其差距仍比較大,如特斯拉在三四年前就已經實現了236Wh/kg的電池能量密度。

電池能量密度的大小不僅影響車輛的續駛里程,還影響著車輛的輕量化進程。A級車車身重量在450kg左右,如果要實現150kg減重,要對四大工藝進行革命性的改造,費用高且周期長。

例如,一個60度電的電池包,假如能量密度提高20%,即從180Wh/kg提高到220Wh/kg,產生效果堪比四大工藝革命性改造。

因此《節能與新能源汽車技術路線圖》中提出,到2020年,國內純電動汽車動力電池的能量密度達到350Wh/kg的目標具有重要意義,但同樣也面臨著技術和工藝的諸多挑戰。

電池包如何滿足生產,依據外企對產品標準的要求,引進國際一流公司合資或獨資建廠是最佳方法之一,“狼來了”短期內可能導致競爭加劇,但總體將會加快國內動力電池廠家的優勝劣汰,促進國內電池技術的快速發展,甚至提升鹽湖提鋰、碳酸鋰制備、正極、負極和隔膜等全生態鏈技術。

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