鉅大LARGE | 點擊量：2635次 | 2022年07月29日
車用動力鋰電池生產耗能分析
在我國政府的大力推動下，國內電動汽車迅速發展，相比于傳統的燃油汽車電動汽車具有諸多優勢，例如加速性能好，行駛安靜，"零排放"等，因此不僅僅在我國，在全世界范圍內，電動汽車的市場份額都在快速新增。據相關機構預測，全球電動汽車的銷量在2020年將達到1300萬輛，而到2030年將達到2.3億輛，隨著電動汽車的大規模普及，在2030年，可以使的美國的溫室氣體排放量相比于2005年減少20%-69%。
雖然電動汽車不會直接排放有害氣體和污染物等，但是實際上在電動汽車的生產和使用過程中仍然會間接的出現一定污染，例如電動汽車所用的鋰電池在生產過程中要消耗大量的能量，在電動汽車使用過程中還要對鋰電池進行充放電，這些都會消耗能量，從而間接的出現污染物的排放。
在鋰電池的生產過程中，重要能耗發生在正、負極材料生產，電極涂布后的烘干過程和電池生產過程中干燥間干燥機組運行等過程。目前電動汽車重要分為三大類：混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車，這些汽車包含眾多的鋰離子單體電池，例如日產leaf電動汽車的24kWh電池模塊，就包含192只單體電池，重達640磅，ChevroletVolt的16kWh電池模塊，包含288只電池，重達435磅，如此眾多的鋰電池在生產過程中必然要消耗大量的能量，但是以往估算動力鋰電池組的生產量耗中，由于缺乏直接的廠數據，生產過程中的能耗往往是通過估算進行的，因此得出的數據也有很大的差異。
美國凱斯西儲大學大學的ChrisYuan直接從JohnsonControlInc.公司采集了生產數據，基于工業生產過程對24kWh鋰電池組的生產量耗進行了分析。24kWh鋰電池模塊的生產量耗重要分為三大部分：電池材料的生產消耗29.9GJ，鋰電池的生產消耗58.7GJ，電池組的組裝消耗0.3GJ能量。
電池材料生產量耗
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
ChrisYuan分析的24kWh鋰電池模塊的鋰離子單體電池采用的為錳酸鋰正極和石墨負極，首先我們一起分析電池中的原材料生產的能耗。在鋰離子單體電池中，正極的組成比例為LMO：炭黑：PVDF=89:6:5，負極組成為：石墨：CMC=95:5，負極正極容量比為1.2，還包含電解液，隔膜，集流體、電池外殼，每只單體電池重量為868g，然后12只單體電池連接為電池模塊，16個模塊連接為電池組，再加入BMS，冷卻系統。因此，在一個電池組中包含192只單體電池，電池組總重量為221.6kg，其中，單體電池166.6kg，冷卻系統8.9kg，BMS8.5kg，結構件37.6kg，電池組不同部分的重量比例入下圖所示。
對各個材料的生產量耗進行計算發現，LMO正極材料的生產耗能最高達到4890MJ，而石墨負極生產的耗能僅為1671MJ，銅和電池組結構件的耗能也分別達到了4737MJ和4241MJ，因此生產一個24kWh的電池組，原材料的耗能為29.9GJ。
鋰電池生產過程中的能耗
鋰電池的生產過程如下圖所示，重要包含勻漿、涂布和烘干，分切，電芯卷繞，電池裝配，以及注液和化成等過程，其中能耗比較高的部分重要是電極的烘干過程和電池生產過程中干燥間的干燥機組運行成本，例如一個可以每天生產400只電池的干燥間，干燥機組和鋰電池生產設備的運行功率達到64.8kW
鋰電池生產過程中每個步驟的能耗，如下表所示，其中有38%的能量消耗在了電極干燥過程，43%消耗在干燥間的運行中，整個24kWh電池組消耗在單體電池生產過程中的能耗為58.7GJ。
電池組的組裝能耗
由于電池組的組裝重要由人工完成，因此能耗僅為0.03kWh/kg，因此整個24kWh電池組的電池組裝能耗也僅為0.3GJ。
從上述分析可以看到，整個24kWh電池組生產過程中總的能耗達到了88.9GJ的能量，其中重要是單體電池生產和原材料的生產過程能耗較高，不同部分的生產量耗占比如上圖所示。ChrisYuan的研究還發現，環境溫度和PVDF膠液的濃度對鋰電池生產過程中的能耗影響比較大，例如當環境溫度從10℃提高到25℃后干燥間的能耗下降了8%。環境濕度也對生產量耗有著顯著的影響，將PVDF膠液濃度從4%降低到2%，電池組的生產量耗可以從50.1kWh/kg下降到40.5kWh/kg。
