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探讨动力电池技术发展现状

发布于:2017/6/26 20:45:36

关键词:电动工具
简    介:日前,国内动力电池行业大新闻频频爆出,先是上汽切入动力电池板块,跟国内第二大、全球第三大动力电池企业宁德时代联姻,成立动力电池系统公司;随后根据消息比亚迪将分拆动力电池部门,开放门户或向所有车企供货,...

  日前,国内动力电池行业大新闻频频爆出,先是上汽切入动力电池板块,跟国内第二大、全球第三大动力电池企业宁德时代联姻,成立动力电池系统公司;随后根据消息比亚迪将分拆动力电池部门,开放门户或向所有车企供货,有报道称这一举动或将改变全球市场格局。并且,国内电动汽车市场连续两年产销量居世界第一,累计推广超过100万辆,占全球市场保有量50%以上。我国超越美国坐上电动汽车市场的头把交椅,能够说电动汽车行业前景无限、发展快速而猛烈,其核心在于动力电池技术水平的提升。

  电动汽车的发展需要更好的电池,动力蓄电池的比能量、寿命、安全性跟价格,对纯电驱动汽车的发展至关重要。当中拥有比能量高、寿命长等优点的锂离子电池是当下最具实用价值的电动汽车电池,在混合动力汽车、纯电动汽车跟燃料电池汽车上均得到广泛应用。当下商用动力电池的技术水平跟将来10年预期可达到的目的见图1,而实际产品生产中往往这些指标又是互相矛盾的,电池相关性能需要权衡考虑。电池性能的提升需兼顾电极材料、电解液、隔膜的性能,同时装配技术、电池系统成组、管理技术的和进也至关重要。本文旨在从电池材料技术、单体电池设计跟制造技术、电池系统技术等角度总结当下以锂离子电池为关键的动力电池发展成就,同时展望将来!

图1现有动力电池的技术指标以及将来10年的发展目的

  1、锂电材料技术

  正负极材料

  锂电正负极材料体系十分丰富(图2),当下,钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰锂等正极材料研究已趋于成熟。钴酸锂材料比容量有200-210mA·h/g,其材料真密度跟极片压实密度均是现有正极材料中最高的,商用钴酸锂/石墨体系的充电电压可提高4.40V,已经可满足智能手机跟平板电脑对高体积能量密度软包电池的需求。锰酸锂原料成本较低、生产工艺简单、热稳定性高、耐过充性好、放电电压平台高、安全性高。适合作为轻型电动车辆的低成本电池,但存在理论容量相比低,循环经历中可能有锰元素的溶出影响电池在高温环境中的寿命等问题。国内锰酸锂材料主要满足移动电源、电动工具跟电动自行车市场的需求,有向低端发展的发展动向。NCM三元层状正极材料主要应使用于动力型电池,除镍、钴、锰各占1/3的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在动力电池中的应用较为成熟外,较高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2也已经进军批量应用,一般跟锰酸锂混合应使用于电动车辆电池。铝掺杂的锂镍钴氧(NCA)能量密度可接近高电压钴酸锂电池,近几年电动汽车厂商特斯拉将这种电脑电池使用于驱动电动汽车,这个材料也能够跟锰酸锂混合使用于制造车用动力电池,国内NCA前驱体已形成稳定产能,少数企业已实现NCA正极材料开发,处于产品推广经历中。磷酸铁锂电池安全性高、寿命长,当下纳米化的功率型材料跟高密度的磷酸锰铁锂材料发展速度较快,高能量型跟高功率型材料的性能趋于稳定,成本进一步降低,逐步满足了国内市场需求跟现阶段我国新能源汽车推广的需要,高电压尖晶石镍锰酸锂跟高电压高比容量富锂锰基正极材料仍在研发之中。

图2锂离子电池电极材料体系

  负极材料

  可使用于动力电池的负极材料有石墨、硬/软碳以及合金材料,石墨是当下广泛应用负极材料,可逆容量已能达到360mA·h/g。无定形硬碳或软碳可满足电池在较高倍率跟较低温度应用的需求,开始走势应用,但主假如跟石墨混合应用。钛酸锂负极材料拥有最优的倍率性能跟循环性能,适使用于大电流快充电池,但生产的电池比能量较低且成本较高。纳米硅在20世纪90年代即被表态可使用于高容量负极,通过少量纳米硅掺杂来提高碳负极材料容量是当下研发的热点,添加少量纳米硅或硅氧化物的负极材料已开始进军小批量应用阶段,可逆容量达到450mA·h/g。但因锂嵌入硅后导致其体积膨胀,在实际运用时循环寿命会出现降低的问题有待进一步解决。

  电解液

  锂离子电池电解液一般以高介电常数的环形碳酸酯跟低介 电常数的线性碳酸酯混合。一般来说锂离子电池的电解质应这个满足离子电导率高(10-3~10-2S/cm)、电子电导低、电化学窗口宽(0~5V)、热稳定性好(-40~60℃)等要求。六氟磷酸锂及其它新型锂盐、溶剂提纯、电解液配制、功能添加剂技术保持进步,当下的发展方向是进一步提升其工作电压跟改善电池高低温性能,安全型离子液体电解液跟固体电解质正在研制中。

  隔膜

  聚烯烃微孔膜以其优良的力学性能、良好电化学稳定性以及相对廉价的特点,是当下锂离子电池隔膜市场的主要品种[7]。包括聚乙烯(PE)单层膜、聚丙烯(PP)单层膜以及PP/PE/PP三层复合微孔膜。国内采纳干法工艺生产的厂家较多,湿法工艺PE隔膜也已经有多家企业能够量产。随着陶瓷涂层技术得到了推广,耐高温跟高电压的隔膜将成为是将来的研发方向。

  2、单体电池技术

  至今锂离子电池的基本设计仍跟SONY公司于1989年专利申请发表的一模一样,单体的形状有圆柱、方形金属壳(铝/钢)跟方形软包散装,圆柱电池原来主要使用于笔记本电脑,目前特斯拉等公司选用的18650圆柱电池使用于电动汽车。方形电池一般容量较大,电芯通过卷饶、Z形叠片、卷绕+叠片、正极包膜叠片、叠片+卷绕等方式制作。圆柱型电芯技术最成熟,制造成本较低,但大型圆柱电池的散热能力较差,故一般选用小圆柱电池。车用电池组容量大,电池数量多,管理系统较为复杂跟昂贵。方形电池中卷绕结构电池制作工艺较简单,但主要适合于软极片电池,采纳除尖晶石正极材料外磷酸铁锂跟三元材料的电池均可用此方法。可靠性高、寿命长的叠片式电池适应于各种材料体系,通用Volt插电式混合动力汽车跟日产Leaf纯电动汽车的电池均采纳叠片工艺制造。至2015年,磷酸铁锂单体电池的比能量达到140W·h/千克,三元材料混合锰酸锂单体电池的比能量达到180W·h/千克,国际上采纳NCA的小圆柱电池比能量达到240W·h/千克,将来几年锂离子单体电池的比能量将进一步提高,预期至2020年最高可达到300W·h/千克。

  3、电池系统技术

  从商品化的锂离子动力电池系统方面看,核心关键技术包括电池成组技术(集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等)、电池管理系统(BMS)电磁兼容技术、信号的精确测量(如单体电压、电流等)技术、电池状态精确预估、电池均衡控制技术等。

图3简易动力电池系统图

  而BMS及电池系统的别的核心关键部件包括传感器、控制器、执行器等部件基本上由汽车电子技术强国(德、日、美)垄断。国内当下部分企业已成功开发智能电表,能够取代国外电流、电压、绝缘传感器。影响电动汽车推广应用的首要因素是锂离子动力电池的安全性跟运用成本,除了电池本体的安全性、寿命及一致性进一步提高外,电池模块化技术、电池成组技术(集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等)也跟国外有较显著的差距。当下国际汽车企业电池成组技术较为成熟,国内研究单位在BMS电磁兼容技术、信号的精确测量技术、电池状态精确预估、电池均衡控制技术等角度展开了较为深入研。

  电池电管理核心技术研发包括综合电池电化学模型、电气安全设计、电池状态预估、均衡管理、故障诊断跟标定以及充电管理等角度。电池热管理核心技术及系统研发需根据电池组的结构设计跟电池产热计算分析,研究不一样热管理技术的散热均温效果,得到成本低、工艺简单、安全可靠性强的电池热管理散热方案。根电池结构轻量化需以电池系统及整车的相关结构为研究对象,考虑相互间的耦合特性,从结构设计优化跟材料选型两个角度展开结构抗振、抗冲击跟轻量化的集成优化设计核心技术研究工作。对零部件材料、结构设计、联接等设计方案进行优化,电池安全性角度需在电气安全、机械安全跟热安全的基础上展开电池系统的安全性整体方案设计研究,针对电池系统展开故障诊断预测、热安全监测预警跟防控核心技术。

  4、展望

  在将来相当长一段时间里,锂离子电池仍是最适用的电动汽车电池,锰酸锂正极材料、三元体系正极材料、磷酸铁锂正极材料、复合碳负极材料、陶瓷涂层隔膜、电解质盐及功能电解液技术的发展支撑了电池技术的进步跟产业发展。电池系统技术在应用中进步,安全性跟可靠性将在将来几年得到进一步提高。

  锂离子动力电池的寿命模型及模型影响参数的研究,电池成组方式特性研究,高效大容量锂离子电池组均衡策略研究,单体电池充放电热模型跟成组电池包温度场分析跟控制方法研究,成组电池优化快速充电方法研究等有待展开。动力电池系统应结合整车产品进行重新设计并根据将来车用动力电池的需求进行设计制造模式的升级,在动力电池基础材料、电池制造跟系统技术全产业链上同时下功夫,提升产品质量,降低规模化生产成本,提高产业竞争力。