电池研究院:容量重要还是充电速度重要?

2021-09-04 07:16:13 作者:黄恒乐

电池研究院:容量重要还是充电速度重要?

 
电池技术的瓶颈在哪里?

  当前我们正在用的二次电池(可充电电池),基本都是锂离子电池。

  为什么呢?

  锂离子很活泼,非常适合在正极与负极之间左右横跳,单位体积与单位重量的锂离子电池能存储电的量都远高于其他配方。

………………………………………………

  真的不是人类不够努力,而是研发电池实在太难了,你花60块可以买到“充电器 + 4颗5号 + 4颗7号”的GP充电电池,以为只是很普通的品罢了,其他这已经融汇了人类200多年的电池研发精髓……

  下表是当前主流二次电池的列表,能把人给绕晕,锂离子电池只是其中一个分类,而它的贡献是让电动车有了颠覆燃油车江湖的潜力

二次电池列表
命名负极电解质正极标称电压(V)备注

    Aluminium-ion battery
铝离子电池

石墨 2.0(?)理想很丰满
现实很骨感
Dual carbon battery
双碳电池
钾离子电解液 耐高温
充电超快
当超级电容吧
Flow battery
液流电池
    需要建设
全产业链
才能运作
Lead–acid battery
铅酸电池
硫酸溶液二氧化铅12电压稳定
产业成熟
能量密度低
Glass battery
玻璃电池
石墨固态电解质碱金属 可能是下
一个突破口
Lithium-ion battery
锂离子电池
石墨
无数种无数种3.2
3.7
21世纪
电池之王
Magnesium-ion battery
镁离子电池
  1.5
2.0
高能量密度
循环寿命长
Metal–air electrochemical cells
金属-空气电池



碱性溶液 细分种类
非常多
Molten-salt battery
熔盐电池
 盐类熔融体  高温电池
电网级储能
储能成本低
Microbial fuel cell
微生物燃料电池
微生物电极 微生物电极 利用污水
或光合作用
发电
Nickel–cadmium battery
镍镉电池
 二氧化镍1.2老式手机电池
Nickel hydrogen battery
镍氢气电池
氢氧化钾
氢气
催化剂1.25使用气态氢
高压电池
循环寿命长
用在卫星上
Nickel metal hydride battery
镍氢电池
金属氧化物氢氧化钾氢氧化镍1.2镍镉进化版
Nickel–iron battery
镍铁电池
氢氧化钾氧化镍1.2爱迪生发明
价格高
可靠性极高
铁道车辆使用
Nickel–zinc battery
镍锌电池
氢氧化钾1.65历史悠久
一致性差
不能过充
Organic radical battery
有机自由基电池
    塑料电池?
不含重金属
可制薄膜电池
Solid-state battery
固态电池
 固态电解质  能量密度高
Potassium-ion battery
钾离子电池
金属氧化物固态聚合物碳类 钾便宜
Rechargeable alkaline battery
可充电碱性电池
碱金属氢氧化物二氧化锰1.5循环寿命短
20个深度循环
Silicon–air battery
硅空气电池
 1.2材料便宜环保
能量密度高
暂未实用化
Silver zinc battery
银锌电池
碱金属氢氧化物氧化银1.55笔记本电脑
助听器
人造卫星
潜艇与鱼雷
Silver-cadmium battery
银镉电池
氢氧化钾氧化银1.1有毒
电压太低
Sodium-ion battery
钠离子电池
无烟煤基 锰基
铜基
 钠丰度高
替代铅酸
低速电动车
Sodium–sulfur battery
钠硫电池
熔融金属钠 液态硫
多硫化钠熔盐
 高温电池
制造简单
电网储能
字母代码负极电解质正极标称电压(V)样例

  在1991年索尼量产锂离子电池之前,世界上所有配方的汽车动力电池之性能,四舍五入就是完全没用的工业垃圾,到顶了只能用作垃圾分类专车使使。

电池研究院:容量重要还是充电速度重要?

  经过三十年的发展,我们现在已经清楚了锂离子电池有多难研发,6大因素互相制衡博弈,让电池技术一直无法突破瓶颈:

电池研究院:容量重要还是充电速度重要?

  1、成本:最重要的一个环节,抛开成本聊电池都是耍流氓。

  2、能量密度:直接关系到容量,长续航车必须用上高能量密度电池。

  3、功率密度:涉及充电与放电功率,前者对应充电速度,后者对应性能输出。

  4、循环寿命:电池寿命受到很多因素影响,文后有详细链接,保证你不想看完……

  5、安全:锂离子电池有锂枝晶,而且喜欢热失控。

  6、工作温度区间:电池怕热又怕冷,超级娇贵。

电池研究院:电池的长寿秘诀是什么?

  对于消费者而言,成本是一个控制变量,贵就是好,好就是贵(宝沃型狗头),能量密度(强关联容量)与功率密度(强关联充电速度)则是关系我们消费者用车体验的两大显性因素,循环寿命、安全、工作温度区间是几乎不能被消费者左右的隐性因素。

  因此,今天我们的文章主题就是——同一个价位之下(成本变量已被控制),你选择大容量长续航电池,还是高性能快充电池?

 
能量密度与电池能量

  我们先做一点基础的科普:

  A、能量密度指的是在单位重量或单位体积内能储藏能量的多寡,电池的重量能量密度用Wh/kg做单位(常用),电池的空间能量密度用Wh/L做单位(不常用)。

  B、我们平时不怎么聊单体电芯的能量密度,要聊就是要成组之后的电池整包能量密度,这就包含了各种结构件、冷却系统、加热系统、电控系统等配套系统。为什么只聊这个定义呢?国家补贴只看整包密度,没人想了解单体电芯。

  C、单体电芯的能量密度越高,我们越容易在更小体积内,装入更低重量的同等容量电池包。但这只是“越容易”,电芯能量密度与整包能量密度并非线性相关,如果配套系统占比太高,安全性会更高,但续航就不见涨了。

  D、“容量”和“能量”是两回事,平时我们买充电宝看的是容量,比如容量为10000mAh一个,电压是3.7V,两者相乘就是370000mWh=370Wh=0.37kWh,也就是0.37度电的能量,所以平时我们说的动力电池容量其实是动力电池能量才对。

电池研究院:电池的长寿秘诀是什么?

  好了,接下来考虑的是怎么提升电池整包能量密度和电池能量(容量)的问题了,当前有几种主流方法,我没办法穷举,就说一些重点的:

1
 
高镍正极

  当前锂离子电池的研发方向是减少(22万/吨,增加层状结构和循环寿命)、增加(3万/吨,增加能量密度)。

  从下表可知,在NCM三锂配方中,NCM811正极用到最少的钴和最多的镍。

每1吨电池的各类型金属重量(吨)
 锂 Li钴 Co镍 Ni锰 Mn铝 Al
磷酸铁锂 LiFePO40.016    
锰酸锂 LiMn2O40.029  0.224 
三元锂 NCM1110.0240.0690.0690.064 
三元锂 NCM5230.0280.0470.1190.066 
三元锂 NCM6220.0300.0510.1520.047 
三元锂 NCM8110.0330.0280.2210.026 
镍钴铝酸锂 LiNiCoAlO20.0300.0380.204 0.006

  超高镍正极,意味着配方可能趋向于NCM9/0.5/0.5,可以更环保、更廉价、更高能量密度,但循环寿命更短稳定性/安全性会变差,需要更多的辅助技术去确保电池不会自燃,让液态电解质固化也是其中一种方案。

2
 
金属锂负极

  金属锂负极一直都只能做成一次电池来使用,这么一用已经数十年了,用作二次电池的安全问题依然没解决。

  实际上金属锂的比容量高达3860mAh/g,用来当负极是很理想的,用作负极可以大大提升比能量,但锂枝晶生长的问题一直没能解决,负极表面的锂很容易吸引更多死锂来构成新的锂枝晶,电池的循环寿命也非常弱鸡。

  下面有两项研究可以读读,但也仅限于读一下,我自己还没有完全参透:

  韩国阳大学Dongsoo Lee和Ungyu Paik教授在其研究中提出:“通过辊压将铜箔表面的Cu3N纳米线转移到金属Li负极的表面,随后Cu3N纳米线与金属锂发生反应,生成Li3N@Cu纳米线,而Li3N具有高离子电导率,较低的电子电导率和良好的电化学稳定性,因此能够有效的抑制锂枝晶的生长,同时金属锂表面形成的三维立体结构界面,也能够有效地降低电流密度,使得金属锂均匀沉积。”

………………………………………………

  宾夕法尼亚州立大学机械工程教授兼该项目首席研究员王东海在其研究中提出:“在锂金属界面上使用聚合物。该材料是一个多孔海绵,不仅可以让锂离子转移,还能抑制锂离子变质,即使在低温和快速充电的条件下,也可让金属镀层不生长枝晶。”

………………………………………………

  这种“三维交连聚合物海绵”的机理是利用三维结构为锂离子提供足够强度的框架结构与足够的表面积/空间,让负极更轻松地容纳更多的锂离子。

3
 
硅碳负极

  古迪纳夫博士研发了当今锂离子电池领域的三大正极材料,目前业界的负极材料多用碳素材料(好消息是中国石墨储量占全球70%),非碳负极材料则有四大系列,包括硅基材料。

  硅的理论容量超过石墨10倍以上,造成电池的话有望提升大约50%的能量密度。

电池负极材料大纲
 碳素材料石墨天然石墨/人造石墨
软碳焦炭/中间相碳微球
硬碳碳纤维/PAS
非碳材料锂金属 
氮化物 
合金锡基材料/硅基材料
钛酸锂 

  此前的学者都不知道硅那么好用吗?都知道,只是解决不了硅基材料体积膨胀的问题。

电池研究院丨电池的昨天、今天与明天

  碳素材料(石墨)与非碳材料(硅)的充放电机理不同,石墨是锂的嵌入和脱嵌,硅则是合金化反应,硅的脱嵌锂反应会令其体积膨胀3倍,电池内部结构破坏之后,就没后文了。

  求同存异可以吗?还真可以。使用Si/C复合体系(硅碳负极),Si硅颗粒这种活性物质可大大提升锂的容量,C碳能改善Si的导电性、缓冲Si充放电体积变化、防止Si颗粒充放电时团聚。

  类比一下,Si就是脆弱但攻击力极强的大法师,C就是承受各种物理攻击/魔法攻击的肉盾。

4
 
固态电解质

  NIO Day 2020让固态电池重回公众视野,但这次蔚来发布的“固态电池”并非真固态,严谨一点来说是“准固态电池”(液态电解质少于50%),依然需要使用电解液和隔膜。

宁德时代或为蔚来150kWh电池供应商 2022年第四季度交付

  什么才是固态电池(Solid-State Battery,SSB)呢?电极与电解液全是固态的,不存在任何气态和液态的流体,便是。

  蔚来“固态”电池包实际上并未做到全固态,但在同样规格的电池包体积中完成360Wh/kg的整包能量密度和150kWh的整包容量,不得不说“抓得到老鼠的就是好猫”,你管他包装上写100%芒果汁还是芒果风味饮品。

  固态电解质电池的主要优势在于:能量密度高,目前实验室样品可以达到300-400Wh/kg(这可是整包密度);可使用金属锂负极,提供高比容量;安全性能更高,不会刺破隔膜造成短路,不会胀包,不会漏液,不会挥发;碰撞受损后,电池安全性更高;温度适应性好(部分配方),可以在-25℃到60℃之间工作;循环寿命1000次以上,最多有吹45000次的(很可能是PPT概念);自放电率很低,静置亏电速度慢。

  主要劣势有:成本过高,技术不成熟,工艺很复杂,产业链上下游不完整,暂时不适合大规模生产;固态电解质的界面接触性差(固体-固体),电导率偏低,高倍率大电流一来就捉襟见肘了,比较难实现快速充电,功率密度有限;运用金属锂负极的同时会产生死锂、锂枝晶生长的问题;氧化物坚硬,制作成电解质片容易脆裂。

5
 
增大单体尺寸

  下表我列了很多锂离子二次电池的尺寸,最出名的要数18650,因为当时已有成熟的产业链(就是笔记本电芯同款),所以特斯拉可以用很短时间把高性能电动汽车造出来,但18650的单体尺寸太小了,所以特斯拉现在采用了21700电池来减少电池包内的电芯总数,精简电控。

圆柱电池(锂离子)尺寸列表
型号别称外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)典型用处
07540 7.54080-150电子烟
08570 8.570280电子烟
101801⁄3 AAA101890小型手电筒
102802⁄3 AAA1028200手电筒
10440AAA1044250-350 
14250​1⁄2 AA1425300手电筒
14430 1443400-600剃须刀
14500AA1450700-1000LED手电筒
14650 1465940-1200 
15270RCR21527450-600替代CR2
16340RCR123A1634550-800替代CR123A
16650 16651600-2500窄版18650
17500A1750830-1200CR123A的1.5倍长
17650 17651200-1600 
17670 17671250-1600CR123A的2.0倍长
18350 1835700-1200 
18490 1849800-1400 
18500 18501100-2040AA加长版
18650168A, 186518651500-3500万能电池
20700 20702800-4100特斯拉
21700 21703000-5000特斯拉
25500 25502500-5500 
26500C2650  
26650 26652400-5750 
32600D32603000-6100 
32650 3267.7500-6500LED灯具
3812038120s381208000-10000电动车/储能
3814038140s3814012000 
4015240152s4015215000 
46800无极耳电池4680≈20000特斯拉
型号别称外直径(mm)长度(mm)典型容量(mAh)用处

  在上一年底的特斯拉电池日上,马斯克宣布了巨型的46800无极耳电池,预计单体容量能往着20000mAh甚至更高的方向去。

电池研究院:电池分类与命名大全

  未来,圆柱型锂离子二次电池依然会是动力电池领域的主心骨,单体尺寸会越来越大,这样子单体的典型容量可以大大增加,能量密度也随之增加,皮薄馅厚就是这么个简单的几何学道理。

6
 
改良电池包结构

  改良整包结构有很多方法,磷酸铁锂电池当前就用上了CTP(Cell to Pack)技术,直接省去了模组和一大堆控制模块,把长条形的“刀片电池”(单体Cell)直接安装到电池包(整包Pack)当中,电池包体积利用率可以提升20%左右,整包能量密度与整车续航能力也大幅度提升20%-30%。

电池研究院:让人又爱又恨的磷酸铁锂

  磷酸铁锂敢用CTP技术的前提是单体电池本身的安全性能远远优于三元锂配方,所以省去了模组级别的结构保护也不会有大问题,不过单体电池本身的框架强度需要加强。

  此外,我们也可以通过新型的材料或者新技术进一步集成电池的冷却系统、加热系统、电控系统,把配套系统的重量和体积省下来了,整包能量密度自然上升。

7
 
电池与车体一体化设计

  在设计之初就将电池完全融入车体当中,而不是组装完车体之后再把另一个独立零部件“高压电池包”装进去车体下方。

  这种一体化设计可以大幅度降低配套系统的重量和体积,提升整包能量密度和整包能量。

 
基建设施与充电速度

  关于充电速度的知识点,我在此前的文章里面详细聊过,在这里点到即止。

电池研究院:电池的长寿秘诀是什么?

  简单描述一下关于提升充电速度的几个核心方向:

1
 
电网负载潜力

  电动汽车快充的确也当前的城市电网负载提出了极高的要求,笔者就曾经尝试咨询小区物业如何给我自己的停车位加装7kW充电桩,物业给出的结论是“不愿意”。虽然7kW仅仅相当于两台空调,但每个小区的电网容量是很有限的,如果开放给10户电动汽车用户安装还能勉强支撑,但若增加到30户,那小区就会跳闸。

  加建配电房与各种配电设备的钱,从谁手里掏?再多思考一步,先安装的用户会事后掏钱给后安装的用户均摊整体成本吗?这都是暂时无解的问题。

  可见,增加电网负载潜力不仅是技术问题,还是成本问题,还有一部分是消防安全管理的问题。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

2
 
充电桩功率

  目前国网在各大快充站基本都铺上了120kW快充桩,实际充电功率能保持在60kW以上就很不错了,一桩两枪的情况下还会被分走很大一部分功率。

  瑞士ABB在2019年也发布了350kW直流超级快充,宣称可以在8分钟内补充200km续航里程,并可以兼容400V和800V两套电压系统,还在能-35℃到50℃之间宽阔的温度区间正常工作。

  问题是,350kW直流超级快充的成本实在太高了,比电动车本身还贵。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

3
 
电池本身

  电池配方是否支持超级快充(比如神乎其技的石墨烯),电控水平能否支持超级快充,散热能力是否支持超级快充,电池损耗速度是否在客户承受范围之内,这些都是必须面对的问题。

4
 
换电站

  Bug一样存在的换电站,其实并非蔚来一家在造,一些运营车辆也在使用,比如北京运营的北汽新能源换电版本的出租车。

电池研究院:快速充电的极限在哪里?

  换电站的逻辑是在电池快充技术和能量密度无法得到根本突破的时期内,转移充电时间和空间,像换弹夹一样把新的电池包给车子装上。

  虽然一直被业界诟病(仿佛化的是喷子的钱那样),但不得不承认换电是当前最快的电动汽车获取电能之方式。

 
成本有限的前提下,何为最大公约数?

  基于上述两个环节的论述,我们可以看到电池能量(容量)的增加与充电速度的加快,都面临着非常高的门槛。

  既想大电池长续航,又想十来分钟完成前半段SOC的快充,在当前成本条件下(而非技术条件下)完全是奢想。

  我们必须在成本有限的前提下,思考如何得出最大公约数,让用户使用电动汽车的时候不再遭罪,至少不要遭以前那么多的罪。

1
 
电池性能的偏向

  偏向于高能量密度的电池,充放电性能并不理想。

  偏向于充放电高性能的电池,能量密度并不理想。

  面对这一对矛盾,有车企和电池企业提出了“混合电池”的技术方案,将高能量密度电池和高功率电池混搭到同一个电池包里面,这又给电控带来了非常严峻的挑战。大众集团之前试过了,反正就是没做成。

2
 
纯高容量走向并不环保

  续航不是越长越好,电池包的能量(容量)不是越多越好。

  如果我们使用过多电量用于运输电池本身,就会造成大量的能源浪费。

  这就相当于一个人出门徒步但背着14天的干粮,还没到半路就先把自己累死了。

3
 
纯充放性能走向并不好用

  最近有个很好的例子就是威马W6冠军版,用了250kg的定制版锂离子电池,可以达到1400kW瞬时放电功率,但只能用来跑01加速,因为放电倍率达到20C,一下子全放完了,且本身能量只有25kWh,根本无暇关照巡航。

  只关注快充的电池就是超级电容而已,但超级电容汽车只适用于固定的商用线路,每站都停靠充电,电量足够用到下一站。

  如今快充技术不断提升,但无法无限制提升,因为我们要考虑到电池的性能均衡,成本有限的前提下很难优先照顾充放电性能。

4
 
实际续航能力到达500km才有安全感

  当前市场,对快充的宣传不如长续航的宣传有效。

  因为快充的服务费很高,自家慢充还能利用波谷电价充半价电,自家慢充的价格可以低至公共充电桩快充价格的20%左右。

  很多用户宁愿选长续航,因为这是属于自己的产品力;而不需要超级快充功能,若是公共快充桩的功率跟不上的话,这个优势等于没有

动力电池冷却失效会炸吗?

5
 
关键结论

  同等成本下,电动汽车用户更愿意选择长续航技能,而不是快充技能。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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