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各显神通 大揭秘电池的奥秘世界!

2017年04月07日 07:52:26
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新能源技术之关键,是电池,但不同企业对电池技术路线的选择,却是各显神通。

“我今天愿意拿所有的资产投入到银隆中去。”董明珠在去年12月15日的“中国制造高峰论坛”上表示。据悉,银隆是一家年轻的新能源技术公司,2011年银隆控股美国奥钛纳米技术有限公司,以此掌握了电动车锂电池中的钛酸锂材料生产技术。 

“而电动汽车电池既是发展电动汽车的核心,更是电力工业与汽车行业的关键结合点。”国家新能源汽车创新工程专家组组长王秉刚对此表示。目前做电动车(包括低速电动车、混动等)的电池种类繁多,例如丰田的混动车型用镍氢电池,本田混动、别克混动则用锂电池,董明珠看好银隆钛酸锂电池,比亚迪新能源则用磷酸铁锂电池等。

可以看出,新能源发展核心就是电池技术。万向集团董事长鲁冠球也曾表示,“电池的进步往往是突破性的,是选择用什么材料的问题,这就导致其具有很强的颠覆性,所以投资风险很大。现在电池不仅是万向遇到最难的问题,也是行业目前无法突破的瓶颈。”

那么现在新能源市场上使用的主流电池种类都有哪些呢?它们的应用有什么区别呢?下面就由《汽车观察》来带领大家一同走进电池的奥秘世界。

铅酸电池

代表企业或车型:长安汽车、北汽集团、长城汽车吉利汽车、上汽通用等传统燃油车,一般采用铅酸电池作为车辆供电装置,目前市面上大部分低速电动车也采用铅酸电池。

第一代电动汽车EV1采用的就是铅酸电池,是由美国通用汽车公司在1996年生产,而铅酸蓄电池由 Gaston Plante在 1859 年发明,从发明到被应用在电动汽车历经137年。所谓铅酸蓄电池是以氧化铅为正极板,以海绵铅为负极板,硫酸水溶液作为电解液。铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用最为广泛的电池,主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的供电电源。

铅酸蓄电池分封闭式和非封闭式两种。封闭式不须维护,允许深度放电,可循环使用,价格低廉,已成为大多数传统燃油汽车供电装置。例如,别克威朗就使用的免维护式铅酸蓄电池。不过铅酸蓄电池能量小和功率低是其致命弱点。

业内专家指出,一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V,能放电到1.5V,能充电到2.4V;在实际应用中,经常用6个单格铅酸电池串联起来组成12V的铅酸电池,还有24V、36V、48V等,使用寿命一般为3年。

“功率、密度是可以通过增大电极的表面积来提高的,但是将会增加侵蚀速度从而缩短电池的使用寿命。”清华大学电机系副教授胡泽春表示,“充放电方式也会严重影响它的使用寿命,长期过度充电和过度放电都会导致电池寿命缩短。”

铅酸蓄电池之所以在过去 50年被广泛应用,除有成熟的技术、可以大批量生产、生产成本低外,可换性及价格便宜也占主导性因素。尽管新电池技术不断地产生,但铅酸蓄电池至今仍作为动力源,主要应用于旅游观光车、电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。

碱性电池

代表企业或车型:一汽丰田混动车型、长安福特混动车型、雷克萨斯RX400h、保时捷Cayenne等,一般使用镍氢电池作为动力电源。

所谓碱性电池由镍基和碱性溶液电解液构成,主要有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池 3 种,其中镍氢电池相对于镍镉、镍锌电池,比能量较高并对环境无污染。

业内专家指出,镍氢电池是由氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多,性能比锂电池要差。据悉,1999年通用汽车研发的第 2 代电动汽车就是以镍氢电池为动力源,但最终因无竞争力而退出市场。不过日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第 3 代电动汽车,即混合动力车(HEV)。

镍氢电池成为在电动汽车电池技术研究领域和市场应用中最受关注的电池,相对铅酸电池,镍氢电池在能量体积密度方面提高了 3 倍,在比功率方面提高了 10 倍。这项技术独特的优势包括:更高的运行电压、比能量和比功率,较好的过度充放电耐受性和热性能。

“不过,镍氢电池应用也有一定的受限性,其在低温时容量减小和高温时充电耐受性不佳;此外,价格也是制约镍氢电池发展的主要因素,原材料如金属镍非常昂贵。镍氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量,但过放电会造成永久性损伤,荷电状态必须被限制在一个较小的范围内,电池储存的大部分能量并没有被实际使用,如丰田 Prius 只能使用电池 20%的能量。”业内专家表示。

锂离子电池

代表企业或车型:本田混动、别克混动等,例如本田雅阁锐混动、别克君越混动。

锂离子电池可分为锂离子电池和锂聚合物电池2 种。锂离子电池的阴极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等,阳极材料主要有石墨、钛酸锂等。不同阴极材料的锂离子电池性能也不尽相同。

“相较镍氢电池,锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量,是镍氢电池的 3 倍。锂离子电池体积小,质量轻,循环寿命长,自放电率低,无记忆效应且无污染;电池单个性能指标的数值范围跨度大,这是因为锂离子电池有较多的电极组合,它们在性能上存在一定的差异。”胡泽春副教授解释道。

当然,锂离子电池大量应用于电动汽车也存在问题,主要是因为多种性能的限制,包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。据悉,锂离子电池目前以小容量、低功率电池为主,大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产。另外对电池组的电池管理系统中一些技术还不成熟(如均衡充电技术)也是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。

磷酸铁锂电池

代表企业或车型:比亚迪纯电动汽车(、秦EV、等),宇通新能源客车、厦门金龙新能源客车等。

目前在电动汽车中,应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池。比亚迪新能源就采用磷酸铁锂电池。它具有磷氧共价键结构,使氧原子不会被释放出来,因而热稳定性和安全性较好,同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。

业内专家指出,磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其特色是不含钴等贵重素,原料价格低且磷、铁,资源含量丰富。其工作电压为3.2V、单位重量下电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长,在高温与高热环境下的稳定性高。

“不过在锂离子电池中,磷酸锂电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低,在大型纯电动车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势。”业内专家对此表示。

三元锂电池

代表汽车或车型:特斯拉吉利帝豪、北汽EV200、江淮iEV5、艾瑞泽7e、荣威Erx5等。

三锂电池就是正极材料使用镍钴锰酸锂三元正极材料的锂电池。据清华大学欧阳明高教授解释,所谓 "三元",指的是正极是三元,负极是石墨。三元锂电池具有能量密度高,循环性能好于正常钴酸锂的优点。目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。

特斯拉公司生产的电动汽车就是选用的三元锂电池,特斯拉电池技术总监 Kurt Kelty 给出的选用理由是:能量密度更大且稳定性、一致性更好;可以有效降低电池系统的成本;尺寸小,可控性和安全性都能不断提高。

不过有业内人士指出,“三元锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等,由于镍钴铝的高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH 值过高易使单体胀气,进而引发危险,目前造价较高。”

据悉,现有三元锂电池如果内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。所以一般三元锂电池都会有一层钢壳保护,由于特斯拉的电池组是由7000块左右的18650电池组合而成,所以,虽然特斯拉给电池组进行了全方位的保护,但是在极端的碰撞事故中,起火隐患还是有的。

“而磷酸铁锂电池则要稳定许多,电池板就算是穿刺、短路也不会爆炸燃烧,遭到350℃的高温也不会起火(三元锂电池在180-250℃就扛不住了)。所以在安全性能上,磷酸铁锂电池略胜一筹。”业内人士告诉记者。

钛酸锂电池

代表企业:珠海银隆,目前该项电池技术应用正在研发试验阶段。

在实际研发应用中,有一种正极是三元,负极是钛酸锂组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池,通常被称为“钛酸锂”,其性能比较安全,寿命比较长,不属于普通所说的“三元材料”。

“所谓钛酸锂电池,是采用钛酸锂作为电池的负极材料,这一技术路线迥异于主流的采用石墨作为负极材料。”业内人士指出。

格力电器董事长董明珠对此表示,“钛酸锂是美国奥钛纳米公司最成熟的产品之一。” 有业内人士指出,“采用钛酸锂作为负极材料的优缺点都十分明显。其优点是电池循环寿命长、具备快充、耐宽温和安全性好等特性。缺点在于造价偏高、能量密度偏低,相对应的,其电池体积较大。其中,能量密度偏低(通俗而言就是电量少)是非常致命的。业界普遍认为:钛酸锂电池的能量密度(90 wh/kg)低于其他类型的动力电池上(磷酸铁锂为 110 ~120 wh/kg)。受制于这一因素,该技术很难应用于新能源乘用车(轻型车)上。

珠海银通新能源董事长魏银仓也承认,“银隆所研发的钛酸锂电池确实是小众的,而且经济效益也排在最后,但他强调,银隆看重的是这一技术全生命周期的绿色环保、以及安全。”

据悉,目前这项技术主要应用于储能系统、机器人行业以及少量公交车上,因为应用范围局限,钛酸锂电池在全球锂电池中仅占比2%。 除能量密度外,钛酸锂的价格比磷酸铁锂和三元材料贵两三倍以上。目前,世界上仅有两家公司在钛酸锂电池领域掌握领先优势,一是日本东芝,二是珠海银隆。 

前景展望

凡事有利便有弊,不同类型的动力电池表现如何,终究需要市场长期的验证。在目前市场上的电池中,锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价格和安全性方面处于劣势以外,其他方面均处于绝对领先地位,有进一步研发和大规模应用的前景。目前在混动车型中,主要的汽车公司均采用镍氢电池和各种基于锂离子技术的电池,电池组容量为 3~60 kW·h甚至更多。在传统燃油汽车中,主要应用铅酸电池作为设备供电装置。钛酸锂电池目前尚处在研发阶段,还未大规模量产。

所以,电池不同技术路线的竞争和核心技术性能的突破才刚刚开始。

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