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如何提高动力电池能量密度_解析动力电池提升能量密度的三大路径

如何提高动力电池能量密度_解析动力电池提升能量密度的三大路径

什么是电池能量密度  能量密度(Energy density)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。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。电池能量密度=电池容量&TImes;放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。
  电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。

  


  △圆柱形锂电池结构图


  关于电池能量密度,现在我们都知道了它俨然是目前电池行业,甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口,但是突破它,真的是很难啊!

  


  △典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比


  据悉,电池的能量密度基本由电池的正负极决定的,但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电,得有很多非活性物质,比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。
  我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量,得出的能量密度与事实相差较大,误导吃瓜群众。其实,这部分相当重要,就拿过去十几年的技术进步来说,电池能量密度的提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。

  


  △能量密度的变化与预测


  动力电池提升能量密度的重要性  动力电池在一定意义上代替了燃油车油箱,增大容量便可获得更长的续航能力,不过现代汽车的结构设计早已固定不变,即使纯EV正向研发,预留给动力电池的布局空间也仅仅是前后轴之间的固定位置。
  在无法改变布局空间的前提下,提升电池整体容量便是解决续航问题的基础。实质上从13年开始至今,国产纯电动车的续航里程,已经从150公里提升至400公里左右,在一次次刷新续航里程的背后。动力电池往往会以更轻的整备质量,获得更大的电池容量,作为核心升级的便是电池能量密度。
  实质上,锂离子电池是指以离子嵌入化合物为正极材质的电池总成。无论是三元锂、还是磷酸铁锂电池。整体的充放电过程基本相同,不同的是不同材质追求的性能取向不同。
  锂离子电池主要由正极+电解液+负极组合而成,正极材质多采用含金属锂的化合物,负极大多采用石墨或碳材质,两者之间的有机溶剂则是电解质。充电时,正极上分解成锂离子,通过电解质进入电池负极,并且嵌入负极材质。放电时,嵌入负极材质的锂离子通过电解质回流指正极,回到正极的锂离子越多电池容量越高。

  


  动力电池提升能量密度的三大路径  一、提升轻量化水平间接提高动力电池能量密度
  以前新能源汽车生产企业多采用钢材料制作电动汽车动力电池托盘,现在很多企业都在以铝合金材料为主。铝合金的密度为2.7 g/c m3,无论在压缩还是焊接等方面,铝合金材质都已非常优秀。而镁合金的密度为1.8 g/ c m3,碳纤维是1.5 g/ c m3,这些材料用来生产电池托盘,将可以极大地提高新能源整车的轻量化水平。王子冬认为,轻量化技术仍在不断发展中,未来也将有更多轻量化材料问世。他表示,不仅应研究电池托盘材质的轻量化,从动力电池单体到系统,都要考虑材质的轻量化问题,这样才能最大限度地提高动力电池的能量密度。
  轻量化需要减轻配件重量,但不能降低配件的强度,因此材料的坚固性需要考虑。另外,采用更轻的材料,将会面临成本上涨的问题。因此在动力电池成本还未大规模下降的情况下,实现整车轻量化的当务之急是研发出更可靠、经济的轻量化材料。2016年,沃尔沃表示,如果将目前的电动汽车电池全部更换成新型轻量化材料,可以降低车重超15%,而且材料成本更低也更为环保。

  


  二、纠结铁锂还是三元不如布局硅碳负极
  作为国内两大主流技术路线,近些年磷酸铁锂和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高,而补贴政策又更倾向于高能量密度产品,因此各大电池企业都将三元电池作为公司下一代产品的主力。但比亚迪股份有限公司总经理沈晞认为,虽然三元和铁锂两者在单体能量密度方面相差较大,但在成组后的系统能量密度方面相差无几,在成本和电池储存难度上也无较大差异。所以沈晞建议企业在提升动力电池能量密度的规划上,可以考虑从动力电池负极材料入手,在量产产品中应用硅材料(如氧化亚硅负极材料等),从而提升电池组的整体能量密度。

  


  三、更改电池尺寸提升系统能量密度
  更改电池尺寸依然是提升电池能量密度的有效方式。虽然特斯拉选择18650技术路线成功吸引了国内众多动力电池企业的追随,但由于18650电芯单颗容量小,普遍在2-4Ah左右,串并联数量太多,单体失效风险概率较大,导致其在主流新能源乘用车和客车领域的应用受到一定限制。2017年,率先使用18650电池的特斯拉将目光转向了21700电池并已经实现量产。
  据特斯拉CEO马斯克介绍,当使用21700电池的Model 3汽车上市之后,将会重新审核是否选用21700电池制造Model S和Model X型号汽车。一旦审核通过,21700电池很有可能全面替代特斯拉汽车上的18650电池。据了解,特斯拉采用21700电池后,由于同等能量下,所需电池的数量减少约1/3,这将带来整个Pack内部金属连接件数量的减少,从而进一步降低电池Pack的重量,整车的能量密度将得到部分提升。而这种方式也为国内18650电池企业在提升能量密度和降成本方面提供了参考。据了解,目前国内18650电池企业基本上都对特斯拉的方式表示认可,并且也在进行相关布局。

  

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