动力锂电池能量密度已见天花板,2020年目标还能否实现?

2020-08-03      1452 次浏览

三元锂离子动力锂电池目前已经看到能量密度的“天花板”了,高镍材料、碳硅负极的锂离子电池单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右,正负不超过20Wh/kg。——国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家肖成伟。


按照国家动力锂电池技术路线图的规划,2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh/kg,从目前的动力锂电池技术来看,肖成伟认为这一目标可能无法达到。


而现在距离2020年还有2年时间,可以产业化的下一代动力锂电池也并没有浮出水面。


目前,我国新能源汽车市场上的纯电动汽车所搭载的动力锂电池,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困扰。


毫无疑问,动力锂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?


无论是三元锂材料电池还是磷酸铁锂离子电池,基本都由四大关键部分组成,即正极、负极、电解液和膜。现在基于这四种组成部分的锂离子电池,再提高能量密度并做到产业化应用,可能性不大。


一项新技术从实验室走向应用,往往要经历很多年的时间。


上海市机动车检测中心副主任缪文泉认为,2020年并不是一个遥远的未来,目前还没有看到任何确定性的解决方法,可能达成上述目标的新一代动力锂电池体系也屈指可数。


那么动力锂电池达不到技术路线规划的目标,我国新能源汽车发展的进程会不会受阻?


当然不会!


因为影响动力锂电池性能的不仅仅是比能量密度一个指标,还有动力锂电池的比功率密度、安全性、一致性、循环寿命等多种因素,在众多指标和成本之间找到一个产业化应用的平衡点,才是支撑新能源汽车发展的关键。


此外,目前日韩正在研究胶体电池,这是一种没有电解液和隔膜的新型电池,有可能给电池带来质变,但是现在还没有产业化的消息。


在缪文泉看来,提高动力锂电池比能量的技术途径有很多:


一是工艺进步,但如今电池工艺设计已相对成熟,提高电池比能量的空间不大;


二是材料性能的提升,受制于自身物化性能,以磷酸铁锂和三元锂为正极、碳材料为负极的锂离子动力锂电池在能量密度上很难有大的突破;


三是新材料、新体系,即开发高比能新材料、发展动力锂电池新体系是未来动力锂电池比能量大幅度提升的重要途径。


假如不能有效地提高电池能量密度,那么是不是可以考虑从给电池包整体减重的角度去提高能量密度呢?


我国电池工业协会张旻昱博士表示,动力锂电池电池包中,电芯的重量一般在1/3-2/3之间,其余部分为电路板、壳体等配件。假如将这些配件的重量有效降低,同时维持现有电芯能量密度的情况下,电池包整体的能量密度会有一个明显的提高。


在2010年左右,动力锂电池包因为安全等要,往往采用金属外壳,电池包整体能量密度很低。后来在更换高聚合物外壳后,能量密度就有了一个大幅的提高。


电池包能量密度是一个系统问题,提高电芯能量密度是一个直接手段,但是假如做好电芯的布置,电路的规划,减轻壳体重量,为电池减负,也是提高电池能量密度的一个有效手段。


在实际应用中,北汽新能源EV200车型的电池箱下箱体使用铝合金材料,上盖采用复合材料,能够有效减重几十公斤。


北汽新能源副总经理王可峰表示,通过降低电池箱整体重量,可以实现整车减重,是提升电池箱能量密度的一个有效手段。另外他表示,更换更轻材料一般都会导致电池成本的上涨,现在北汽新能源也在加紧这方面的研究,争取应用更轻更强成本更低的材料。


目前来看,各大电池公司为达成350Wh/kg的目标,不仅要研发新电池,还要对电池包进行减重,两者要并行。


动力锂电池因为装配在汽车之上,要经过各种工况的测试,要保证一定的结构安全。将钢壳换成碳纤维壳或其他材料的外壳,只要能保证强度要求,完全可行。


另外,电池包另一项重要指标是散热与均热能力。假如电池组局部过热,会导致电池内阻不一致,电芯放电容量下降,那些放电不充分的电芯从某种意义上说,为电池包增了重。


虽然电池包能量密度达到350Wh/kg,光靠为电池减重可能是无法达到的,但是动力锂电池作为一个系统,这方面的用途不能忽视。国内公司比较缺乏基础性研究,过度追求高比能量电芯,这是错误的,应该均衡发展,在研发新型材料电池的同时,重视对现有电池体系的减重。


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