全固态电池耐热性温度范围放大,安全性得到了保障。削弱了对水冷系统的依赖性。契合了解决成本和体积矛盾的想法。
锂离子电池,通过一定数量串并组合,装配在汽车上,成为动力电源的那一刻,高成本、大体积、高质量、温度适应敏感、热失控安全等问题,就一直困扰着我们。
而全固态电池由于能提供更好的安全、更大的容量、更快的充电,被公认是下一代电池技术路线的发展方向,也成了各大电池产业上下游企业的必争之地:
韩国的三大电池巨头联手;日本23家车企、电池、材料公司、科研院校单位联合;欧美国家相继发布研发规划;德国大众豪掷1亿美元投资电池技术公司——他们纷纷瞄准并积极布局固态电池,并且加速核心技术攻克走向商业化,都是想在未来动力电池市场竟争中抢得先机。
丰田提出全固态电池不需要冷却
前期,丰田在各种不同场合,多次阐述其研发的全固态电池特点,除了重要的高安全特性,还解决和满足了长续驶里程需求,快充电特性,同时,还不需要冷却,体积可以缩减一半。
在早期,丰田执行副总裁勒罗伊(DidierLeroy)这样描述,丰田在固态电池技术的知识产权方面处于领先地位,可以让电池更安全,体积变的更小。
“ExecutiveVicePresidentDidierLeroybelievesToyotaistheleaderinsolid-statebatterytechnologyintermsofintellectualproperty.Heseesthemasa"game-changer"withthepotentialtodramaticallyimprovedrivingrange.
Leroysaid:Toyota'ssolid-statebatteriesarebasedonlithiumiontechnologybutcanoperateatahighertemperaturethancurrentlithiumionbatteries.Theydonotrequirecoolingandthusaremuchsmaller.”
让我们掀开全固态电池关键指标一角,探究一下这些特点的生成原因。
全固态电池耐热特性、低温特性、倍率特性突出
来自KentaroYOSHIDAandKeizoHARADA“All-Solid-StateLithiumBatterieswithWideOperatingTemperatureRangeMitsuyasu”对基于硫化物全固态电池做的几项测试(主要针对小容量电池的测试):
高温耐受性测试:电池在高温170℃规定的充放电(Thetestconditionswereaconstantcurrentof0.3mAcharge/discharge,chargedto0.3mAh,anddischargedto3.0V)、循环条件下,可以观察到,容量在高温下,非常稳定,变化很小,也就是说,副反应并没有显著的增加。
低温耐受性测试:电池在低温-40℃规定的充放电(Thetestconditionswereaconstantcurrentof0.02mA,chargedto0.02mAh,anddischargedto3.0V)、循环(试验条件为恒流0.02mA,充至0.02mAh,放电至3.0V)条件下,可以观察到,容量因低温影响,也是非常小的,仍然有很稳定的放出和充入。
放电倍率特性:常温下,在24C高倍率下放电,容量为低速率0.5C下的89%,说明该电池具有优良的功率特性。
上述测试条件,相比现在的商业化动力电池确实还有很大的局限性和差距,但是固态电池从娘胎里带来的优点还是非常明显的,在如此高的温度条件,表现如此稳定,安全性可见一斑。
对于一般液态电解质电池,其策略保护,高温>50℃进入报警状态;70℃进入热失控风险区。低温环境,<0℃限制充电电流。电池在很窄的15~45℃范围内才能稳定的工作。同时,为了保证电池系统的寿命,温差范围要求控制在<5℃。
全固态电池大大降低了对冷却系统的依赖
有资料显示,全固态电池耐热性在(80~120℃)、阻燃性(200℃),均远远高于现有应用的液态电解质的锂离子电池。这主要与电解质形态和结构有直接的关系。
全固态电池使用的固体电解质,是区别于液态有机电机解质的主要特征材料,现在主要研究的有两种类型,氧化物和硫化物。目前包括丰田的全固态电池,主要是基于硫化物类型全固态电池研究。
早在日本NissanleafEV车上,一直延续着没有冷却板,依靠电池壳体自然冷却产品设计。
对于EV电池系统,主要满足较低倍率的充放电功率需求,在冷却方面对热管理表现的没有功率型的HEV明显。但是在低温环境,环境适应性是得不到满足的。所以说,对于全温度的工况需求,更多的增加了水冷板式的热管理系统。
这本身也是矛盾的。现有庞大的水冷系统,从成本角度,体积方面,都是不利的。
全固态电池耐热性温度范围放大,安全性得到了保障。削弱了对水冷系统的依赖性。契合了解决成本和体积矛盾的想法。
尽管全固态电池如此诱人,但是,还不能停止现有热管理技术的发展的脚步。
丰田表示,其全固态电池仍需10年的发展才能成熟。
全固态电池要想全面大批量投入生产和应用,还需要很长的一段时间。
丰田表示:“我们将小批量的试产开始,用于试点项目,我们永远不会在客户身上做实验。2030年,可能是更现实的时间节点”。
从Tesla车型演变案例观察分析
Tesla产品,一直以来引起地球人足够的好奇。其设计的精妙也确实堪称典范。正如ElonMusk对团队的管理和要求一样,在他们眼里“没有做不到的事情”。
在热管理功能单元组合中,透过产品的演变状态,可以看出一些端倪。
关于电池加热形式的变化,由PTC加热改变为利用电机接通电流零扭矩加热,其技术优缺点有待于后期进一步研究分析,现在还不能量化和说清楚。
其中一点是肯定的,提高热系统效能的同时,一定是做到了降本。是双赢的结果。这种“没有做不到”的创新精神,值得学习。