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我国各企业锂电池能量密度现状一览,新能源汽

2019-08-30 21:33

那么90Wh/kg的出处呢,笔者看有人评论说这是比亚迪以前的产品参数。乍一看,笔者也这么觉得。但是推敲之后,觉得有点不对劲。除了特斯拉直接使用18650电池以外,一般电动汽车的电池都是将电池成组使用的,也就是常说的Pack。那么按照当前的产品规格,电芯能量密度在130Wh/kg的话,成组后90Wh/kg的能力密度还是靠谱的。因此笔者认为,这90Wh/kg指的是当下比亚迪电池组的能量密度,而后面的150Wh/kg指的是比亚迪新材料电芯的能量密度,只是后面定语省略了。这样的文字游戏之下,让人有能量密度提升了60%的错觉,也会让人感觉使用了新的电芯,续航里程可能有翻倍的增加……

智慧能源:公司量产的动力电池单体能量密度可达220Wh/Kg,PACK成组后能量密度达到140Wh/Kg。同时,公司BMS系统可做到5级防护,电池包采用轻量化材料,并进行了结构优化。

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族,我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。镍的含量越高,意味着电芯的比容量就越高。目前公认的下一代811电池就是高镍电池。

比亚迪完成新电池研发 预计明年投产

2014-08-21 10:27出处:V讯网 [原创]责编:王文汐

据比亚迪董事长王传福表示,比亚迪已完成了一项有关高能量密度新型电池的研发工作,成功研发出磷酸铁锰锂电池。新型电池将其密度提升近67%,突破了传统磷酸铁锂电池的能量密度。这就意味着新电池不仅提升了续航里程,还降低了成本。

比亚迪将传统磷酸铁锂电池中加入了锰元素,形成磷酸铁锰锂新电池。磷酸铁锰锂新电池突破了传统磷酸铁锂电池的能量密度限制,电池能量密度由90Wh/Kg提升67%至150Wh/Kg,基本与三元材料电池能量密度(约为150Wh/Kg)相当。特斯拉Model S由于采用了松下的NCA三元材料电池,续航里程可以达到500公里。而比亚迪e6采用传统磷酸铁锂电池,续航里程最高为300公里。

虽然传统磷酸铁锂电池的成本远低于三元材料电池,但钴元素在我国储量极少,大多依赖进口,致使成本增高。比亚迪研发的磷酸铁锰锂新电池中的锰元素在我国储量则非常丰富,因此反而可以降低成本。

据比亚迪透露,该新型电池将在明年投产,并搭载到旗下车型。

最近,比亚迪磷酸铁锰锂的技术被津津乐道。国家知识产权局的专利查询系统中,还能查到一个比亚迪公司注册的专利,将磷酸铁锰锂与石墨烯双剑合璧,看起来颇为厉害。一向后知后觉的笔者,还在网上百度了一下相关的文章。找到了一篇转载率很高的文章,题目笔者就不说了,其中有这么一句话:“据悉,比亚迪研发的新磷酸铁锰锂电池技术可以将电池组容量由原先的90WH/Kg提升至150WH/Kg,其能量密度水平已经达到三元材料的密度。”

比克电池:2016年,比克三元材料动力电池行业占比30%以上,位列第一。目前比克单体电芯能量密度近220Wh/kg,后续还将进一步提升至300Wh/kg。

图四 不同元素比列对电芯比容量的影响

这让笔者联想起2007年比亚迪“铁电池”问世时的情景,旧事不提,虽然技术的包装是可以的,但是偷换概念的炒作就有点让人不大舒服。

捷威动力:在能量密度方面,公司目前已经量产的三元软包电池单体比能量达210WH/Kg。在提高电池安全性的基础上,预计2020年公司软包电池单体能量密度可达300WH/Kg,Pack成组后可达220WH/Kg;钛酸锂电池单体能量密度达到110WH/Kg以上。

不过这种提升也是有天花板的,想要有突破性进展,还得在电池结构上另辟蹊径。

比亚迪磷酸铁锂电池

比亚迪:目前,比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh,而接下来比亚迪计划将能量密度继续提升到160Wh。除了磷酸铁锂电池,比亚迪也在同步开发三元锂电池,而如果将三元锂电池的技术结合到磷酸铁锂电池上,对原有用石墨作为负极材料的做法进行一些调整,那么在2020年左右,比亚迪计划将磷酸铁锂电池的单体能量密度提升到200Wh。

单体电芯能量密度,顾名思义是单个电芯级别的能量密度。系统能量密度系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统,热管理系统,高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间,因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

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根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划:2020年,电池能量密度达到300Wh/kg;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg。目前,我国各电池动力锂电池能量密度达到什么水平了呢?

图一 新能源汽车动力总成

看到这句话时,不禁感叹,电池组容量这个词用的太妙了,让人挑不出毛病了。为什么这么说呢,笔者无聊之际,做了一组简单的计算:

另外,在跟进的三元电池方面,比亚迪的三元电池已经具备量产条件,目前能量密度也达到了200Wh/kg。比亚迪三元电池的目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg,2020年达到300Wh/kg。

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尽管如此,比亚迪近些年在知识产权的建树还是值得肯定的。专利数也是国内电池企业中的佼佼者。对国外企业的起诉,敢于应诉甚至胜诉,也让比亚迪在业内名噪一时。以这个新型磷酸铁锰锂的电池技术来说,目前正处于公示阶段,相信很快就能得到授权。这个技术如何,笔者不好妄断。但是笔者还是想以自身粗浅的认识,对这个新材料做一些思考。

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图五 电池负极的发展路线

首先,笔者想先要弄明白专利是什么?专利就是一个Idea,一个具有新颖性、创造性的、实用性的技术方案。而以笔者的经验,配方形式的方案,似乎更容易形成专利。按笔者的平时的一句笑谈:“大部分专利和产品之间关系很密切,距离很遥远。”保守的讲,一个Idea,在实验室实施成功,就完全可以去申请专利。因此,专利很重要,它代表着方向。目前这个技术处于实验室阶段、中试放大阶段、试生产阶段还是批量生产阶段,除了比亚迪自己,别人无从得知。希望相关产品尽快上市,也让人们一探究竟吧。

沃特玛:生产的32650圆柱型动力磷酸铁锂电池,单体能量密度已经达到145Wh/kg,下一步目标是实现160Wh/kg;三元电池目前能量密度为200Wh/kg,预计到2020年达到300Wh/kg的水平。

要提高动力电池包能量密度,一是提高成组效率,二是采用更高能量密度的电芯。成组技术可以通过改善电池包设计以及采用碳纤维的轻型材料,不过提升空间不大,只能看作是零敲碎打。

磷酸铁锂理论比容量170mAh/g,放电平台3.4V,材料能量密度是578Wh/kg;磷酸锰锂理论比容量为171mAh/g,放电平台4.1V,材料能量密度是701Wh/kg,比前者高21%。从容量上看,两种材料的容量基本类似,差别只是后者有更高的放电电压平台,照此来看,电池的能量密度应该能有20%的提高。当前比亚迪的磷酸铁锂电池的能量密度约是130Wh/kg,那么磷酸铁锰锂的电池理所当然的能达到156Wh/kg,谦虚点说,确实能到150Wh/kg。

卡耐新能源:卡耐新能源已经可以批量供应能量密度220Wh/kg电芯,系统比能量大于130Wh/kg电芯,同时工艺和技术层面已经分别实现250Wh/kg、技术300Wh/kg产品储备。

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国能电池:早在2013年,国能磷酸铁锂和三元电池单体能量密度就达到了160Wh/kg和200Wh/kg。预计2017年年底,磷酸铁锂电池单体能量密度将达到180Wh/kg、PACK达到134Wh/kg,三元电池能量密度将突破240Wh/kg。

目前,我国新能源汽车市场上的纯电动汽车所搭载的动力电池,大多数为三元锂材料和磷酸铁锂材料电池。尽管相比铅酸和镍氢电池,能量密度已经有了极大的提高,但是依然难以打消消费者的里程焦虑。毫无疑问,动力电池技术瓶颈在很长一段时间内,阻碍了新能源汽车产业化进程。那么,锂离子电池密度究竟还能不能再提高了?新能源汽车电池还会有革命性的突破吗?

想解答这个问题,首先得从电池的能量密度说起。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度越大,单位体积、或重量内存储的电量越多。

固态锂电池当前能量密度约400Wh/Kg,预估最大潜力值达900Wh/Kg,有超过100%的提升空间。固态锂电池正是大众期待的变革性产品。不过,全固态电池大规模商业化估计在2025-2030年才会真正实现,还需要业界持续的努力。

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提高单体电芯能量密度才是解决问题的核心。限制锂电池的能量密度提升的原因是电池背后的化学体系。一般而言,锂电池分为五大部分:正、负电极,电解质,膈膜,外壳体。正负极是储能放电的主战场,所以绝大部分电池的研发都集中在正负极材料的扩展。

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最后,必须要指出的是,电池的能量密度并不是越高越好,电池是一个综合性产品,提高能量密度同时也会提升电池安全风险,必须综合考虑。对于新能源汽车来说,续航也不会无限制的提升,随着充电桩密集程度的提升,未来的主流续航里程将缩短到300公里左右。

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图二 不同类型的锂离子电池

基于上述思想,固态电池逐渐进入科学家视野。固态电池的原理与传统的液态锂电池相同,只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。因此,同样的电量,固态电池体积将变得更小。不仅如此,固态电池中由于没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。

电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。举例来说,我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是因为正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g,而三元材料镍钴锰约为200mAh/g。

基本上可以这样预测,锂电池未来发展之路将经过以下阶段:2020年前采用高镍正极 准固态电解质 硅碳负极实现300Wh/Kg,2025年前采用富锂正极 全固态电解质 硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg。

对于电动汽车来说,电池的能量密度常常指向两个不同的概念,一个是单体电芯的能量密度,一个是电池系统的能量密度。电芯是一个电池系统的最小单元。以轩逸纯电为例,8个电芯组成一个模组,24个模组组成一个电池包,这是车用动力电池的基本结构。

图七 德国一家公司展示的固态电池样品

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图三 典型锂离子电池的构造

图六 固体电池的结构模拟图

新能源汽车的快速发展很大程度得益于动力电池性能的大幅提升。自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车已经10年,实际装车产品的能量密度提高了2.5倍,实现了蓄电池领域百年来革命性的突破。对比2017年、2018年上市新能源车型的能量密度,短短一年间提升巨大,平均数从103.3Wh/kg 增长到 142.4Wh/kg。

去年国内车市不景气,哀鸿遍野,满地凉凉,一向成绩优秀的合资企业不少也是由涨转跌。然而在这样惨淡的大环境下,新能源汽车依旧逆势大涨,产销破百万,成为市场最耀眼的明星。

不仅如此,全固态锂电池也具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。

当然,电池负极材料也有很大提升空间。目前,用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式,已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极。硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g,远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g,因此成为石墨负极的有力替代者。

性能提升推动动力电池价格大幅下降。过去十年间,日韩电池龙头价格已从 2010 年的 600-800 美元/KWh 降至目前 150-200 美元/kWh,国内龙头厂商在 2016 年底也降至 300 美元/kWh左右,目前已进入到 200-250 美元/kWh。据报道,国内电池巨头比亚迪电池成本可以做到0.9元/wh。

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