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    • 新能源汽车厂商的较量
    • 磷酸铁锂VS 三元锂
    • 刀片电池,目前的最优解
    • 谁才是新能源汽车的未来
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既要安全,又要续航,何时才能找到完美的新能源汽车电池?

2020/07/20 13:16 作者:镁客网
阅读需 9 分钟
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如何挑选新能源汽车电池?成本、寿命、安全性、耐用性全都要。

如何你打算购买一辆新能源汽车,你会问什么?

“续航多久?”

“冬天耐不耐用?充电快不快?”

但关注的重点最后都落向了安全性:“这车的电池会自燃吗?”

新能源汽车厂商的较量

新能源汽车,考虑续航与安全性问题,都得归结到电池上。

现今,主流的电动汽车,包括特斯拉、广汽传祺、蔚来等采用的都是三元锂电池,而这款电池最大的缺点便是稳定性差,如果内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。

为了解决这个隐患,今年年初特斯拉宣布国产 Model3 采用宁德时代提供的无钴电池。不久,国内新能源汽车代表——比亚迪也推出了自家的刀片电池

这两款电池本质都是磷酸铁锂电池

就在本月 12 号,搭载自产刀片电池的比亚迪汉正式上市,其用意自然对标特斯拉 Model 3。

然而,磷酸铁锂电池也不是完美的。

磷酸铁锂VS 三元锂

 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池因为成本低、安全性高且寿命长,所以在 2016 年之前的新能源汽车市场,大多数车型都采用磷酸铁锂电池。

图 | 磷酸铁锂晶体结构

 

磷酸铁锂的晶体结构由原子直径较大的铁、磷、氧组成,锂离子则游离在其中,当锂离子脱离时,晶体结构几乎不发生重排。其次由于 P-O 共价键的键能很大,所以稳定性很强,共价键另一端的氧原子也很难被氧化释放,高温或者过充都不会使其结构崩塌。

这种结构稳定性让磷酸铁锂有很好的耐高温性,电热峰值可达 500℃左右,由于没有氧分子分离的风险,受到外力发生自燃的概率也低很多。所以磷酸铁锂电池不仅寿命长,而且安全系数十分高。

但磷酸铁锂电池也有它的缺点,由于其特殊的晶体结构,锂离子扩散速度慢,导致其导电率低,充放电效率也很低,这种现象在低温环境下更为明显。其次磷酸铁锂颗粒本身不密实,所以能量密度远不如三元锂电池,在续航上的表现让令消费者很难满意。

此前业内普遍认为磷酸铁锂电池的能量密度已经到了理论值的天花板,但即便是已经到了所谓的理论极限,磷酸铁锂电池依旧难堪大任,于是整个行业都对磷酸铁锂失去了信心。像比亚迪和宁德时代这种磷酸铁锂电池生产大户,都逐步转向生产三元锂材料电池。

三元材料电池

随着技术的发展和消费者对续航的硬性需求,低温性能更优、能量密度更高的三元锂电池开始占领了市场。在 2016-2019 年的这个窗口期,采用三元锂电池的汽车更有竞争力。到了 2019 年,几乎所有车型都采用三元锂电池。

作为新能源汽车领域的巨头,特斯拉采用的是松下的镍钴铝酸锂三元锂电池,也就是所谓的 NCA,其中 Model S 和 Model X 采用的是松下 18650 电池组,而最新的 Model 3 则采用了更大容量的 21700 圆柱体电池组。

三元正极材料一般是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,每个元素由于自身特点制约着电池性能,所以里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。

图 | 三元材料晶体结构

镍可以提高材料的可逆容量,但是如果镍含量太高,材料的循环性能就会变差。钴能够使加速锂离子的脱嵌,提高导电能力,但是钴含量过高会导致成本较高,性价比低。锰可以提高材料安全性和稳定性,含量过高则会降低材料克容量。

由于三元材料结构十分紧凑,所以单体电芯能量密度高,同等电池的体积下,可以比磷酸铁锂电池有更大的容量。根据宁德时代的计划,三元材料电池将在 2020 年实现单体能量密度 300Wh/kg,这几乎是磷酸铁锂电池容量的一倍。

此外,三元材料电池在冬季低温条件下的衰减程度也更低,大部分三元锂电池低温衰减率约为 15%,而磷酸锂电池的低温衰减率甚至可以高达到 50%。

但三元材料的缺点十分明显,在安全方面远远不及磷酸铁锂电池。由于其元素本身不耐高温,对氧的束缚低,极端情况下氧分子很容易被释放出来,所以一旦发生碰撞挤压或是高温影响,就容易出现电池自燃现象。

刀片电池,目前的最优解

三元锂电池的普及,一定程度是因为当时国家政策的指导性。

2017 年 3 月 1 日,中央四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知,明确指出“将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一”。

于是续航能力强且潜力无限的三元锂电池很快取代了磷酸铁锂电池,强大的续航能力也为新能源汽车的推广和普及做了很大的努力。

但当续航解决之后,安全性较差的问题凸显了。从 2018 年开始,国内新能源汽车因为电池事故和故障烧车的事故频发,似乎大家已经见怪不怪了。

从上图来看,绝大多数电池自燃都与三元锂电池有关。磷酸铁锂电池的安全性再次被各大车厂关注。

其实刀片电池只是比亚迪的说法,在宁德时代那里叫 CTP(cell to pack)技术,两者在思路上其实并没有不同,不过比亚迪明显做得更好。

传统动力电池的发展思路,是把电芯(Cell)组装成为模组(Module),再将模组安装在电池包(Pack)里,形成“电芯 - 模组 - 电池包”的三级装配模式,但模组自身也有体积和重量。

图 | 刀片电池结构

通俗来讲 CTP 技术就是绕开模组,直接用电芯组成电池包,省出来的体积和重量,可以用来大幅增加电量、提高续航。

在比亚迪的设计方案里,电芯被设计成长条状的方形铝壳;再将电芯通过堆栈式摆放,像“刀片”一样插入到电池包,从而使得电池空间利用率达到 60%。

刀片电池本身作为磷酸铁锂电池,其能量密度并没有实质性的进步。但刀片电池单个电芯的长度可以达到 2.1 米,是传统磷酸铁锂电池的十倍以上,也可以说是从另一个角度解决了磷酸铁锂电池能量密度的问题。

值得一提的是,CTP 技术不仅可以用在磷酸铁锂电池上,在宁德时代的设想里,该技术也能用在三元锂电池上。

所以 CTP 技术只是一个新的解题思路,但并不一定是最终的“正确答案”,毕竟三元锂电池的潜力远比磷酸铁锂电池大。

谁才是新能源汽车的未来

三元锂和磷酸铁锂,这两种电芯作为互补的存在,各自都有优缺点。

谁是新能源汽车的未来?暂时没有,可能也不会有结果——毕竟鱼与熊掌不可兼得。而我们能做的,只是通过新技术,弥补两者的缺点。

由于国家政策的扶持,中国的新能源汽车行业以极其夸张的速度进行扩张,如今国内新能源汽车在续航上已经可以比肩特斯拉,但保证续航的前提是保证安全性。

在技术层面无法赶上特斯拉之前,安全性无疑是国内消费者选择国产汽车最重要的原因之一。

所以刀片电池推出之后,很多企业重新开始重视起磷酸铁锂电池的研发。

三十年河东,三十年河西。在 2018 年磷酸铁锂电池被行业无情抛弃之后,2020 年的三元锂电池又因为成本高、安全性差被行业看衰。

从目前趋势来看,磷酸铁锂电池将回归主流,直到被下一个技术所淘汰。

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