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全面認識動力鋰電池“能量密度”

鉅大LARGE  |  點擊量:1622次  |  2020年04月20日  

隨著新能源汽車的普及,電動汽車的續(xù)航問題變得越來越突出。誰的續(xù)航里程更高,誰就更能獲得消費者的認可。而電動汽車的續(xù)航里程,和一個重要的電池參數有關:能量密度。一般來說,動力鋰離子電池的能量密度越高,電動汽車的續(xù)航里程就越長。那么,到底什么是動力鋰離子電池的能量密度呢?


電池的能量密度指的是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。在弄清楚動力鋰離子電池的能量密度之前,有必要弄清楚動力鋰離子電池的構成。


動力鋰離子電池重要包括電芯(Cell)、模組(Module)、電池包(Pack)等。電芯(Cell)是一個電池系統(tǒng)的最小單元,M個電芯組成一個模組(Module),N個模組組成一個電池包(Pack)。它們之間通過各種控制器、電氣裝置連接,共同構成了電動汽車的電池動力系統(tǒng)。


電芯重要由正極、負極、隔膜、電解質等組成。電動汽車用鋰離子電池按照正極材料分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池和鎳鈷錳鋰離子電池等。


人們常說的“鐵電池”,指的就是磷酸鐵鋰離子電池,這種電池用磷酸鐵鋰作為正極材料;人們常說的三元鋰離子電池,就是正極材料使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰的電池。


電芯不能直接使用,只有加上保護電路和保護殼,再把它們組合起來,形成模組,才能直接使用。多數情況下,單個模組無法為汽車的長距離續(xù)航供應足夠的電量,因此要把多個模組組合起來,加上單體電池監(jiān)控與管理裝置,從而形成動力鋰離子電池組。


由此,動力鋰離子電池的能力密度有了兩種衡量方法:電池單體能量密度(電芯)和電池系統(tǒng)能量密度(整個動力鋰離子電池系統(tǒng))。


電池單體能量密度指的是電芯級別的能量密度。譬如,《我國制造2025》曾公布這樣的發(fā)展規(guī)劃:2020年,電池能量密度達到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg,這里指的就是單個電芯級別的能量密度。


所謂電池系統(tǒng)能量密度,是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內部包含電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高低壓回路等占據了電池系統(tǒng)的部分重量和內部空間,因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。


以電池生產商國軒高科為例,其宣布旗下量產的磷酸鐵鋰離子電池單體能量密度已經達到了190Wh/kg,并有望達到200Wh/kg,與之相對應的系統(tǒng)能量密度僅為160Wh/kg;其目前實驗階段的811軟包電池單體能量密度最高已突破300Wh/kg,但相對應的系統(tǒng)能量密度則僅為200Wh/kg。


電池能量密度的高低,往往直接決定了電動汽車的續(xù)航里程。那么,怎么樣才能提高動力鋰離子電池的能量密度呢?重要包括兩個方向。


一、提高單體電芯能量密度:


就單顆電芯而言,電池正負極材料、生產工藝等都會影響能量密度,因此就要采用更合理的正負極材料,以及更好的生產工藝。譬如三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池,其能量密度之所以差異較大,就是因為采用了不同的正極材料。一般認為,磷酸鐵鋰離子電池單體能量密度提升的空間有限,而三元鋰離子電池還有更多的提升空間,這也是很多汽車品牌選擇搭載三元鋰離子電池的重要原因。


二、提高電池系統(tǒng)能量密度:


電池系統(tǒng)能量密度是電動汽車十分重要的性能參數。在電池單體能量密度已經確定的情況下,如何優(yōu)化電池系統(tǒng)的空間和布局,對電池動力系統(tǒng)甚至整車進行輕量化設計等,就成了很多汽車品牌研究的方向。譬如弗迪品牌剛剛公布的“刀片電池”,其本質上的提升在于減少結構件,優(yōu)化空間利用率。而三元鋰離子電池的生產廠商也在這個領域繼續(xù)投入和探索。


就整個行業(yè)而言,無論是磷酸鐵鋰離子電池,還是三元鋰離子電池,通過優(yōu)化空間利用率、改善材料從而帶來續(xù)航里程上的提升,其效果還是非??捎^的。


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