登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
谈及电动汽车,大家最关心的问题就是续航。
(来源:微信公众号“2030出行研究室” ID:PHD2030MRL 作者:张抗抗)
当前普遍续航400km左右,从大部分出行场景上来说,这个数值真的差不多够了。但是,为什么大部分人(包括我在内),总觉得这个里程远远不够,希望再加个三五百公里才安心呢?
原因在于充电便利性远远不如加油。
如果燃油车没油了,打开手机导个航,开个三五公里、花个三五分钟总能加上油。充电就不一样了,首先不一定能找到充电站,其次即使找到充电站不一定能排上队,最后即使排上队了,至少也得充个把小时。
制约充电便利性的,主要是充电速度太慢。它有两个制约效应:
√ 充电速度慢,意味着要耽误电动汽车车主的宝贵时间,这要计入直接成本。
√ 充电速度慢,意味着租个地盘开充电站的服务效率低,投入产出不划算,间接制约了充电站的普及程度。
车用锂电池快充技术的两个角度
我们经常将锂电池比喻成“水箱模型”[1]:相比较于大部分电池采用的是转化(Conversion)的化学反应,伴随着显著的物质转化过程,而锂离子电池采用的是非常独特的锂嵌入(Intercalation)化学反应[2],锂离子确实很像倒水一样在正极与负极之间倒来倒去。
既然把锂离子电池比喻成水箱模型,那水和油又有什么区别?为何往燃油车里倒油这么快,往电动车里“倒电”就这么慢呢?
这就是所谓的锂电池快充技术问题,要从两个角度来理解:
√充电装置的角度:充电桩与车载高压系统,是否具备高功率输出的能力?
√从锂电池的角度:在保证安全与寿命的前提下,锂离子电池是否具备承受高功率输入的能力?
近期,保时捷发布了豪华电动汽车Taycan,最引人注目的就是车载800V高压系统、可支持350kW的超快充电功率[3]。350kW是什么概念?相当于半个小区的空调都停下来,省下来的电同时充入一辆小小的电动汽车。
保时捷此举主要是从充电装置的角度来突破技术,这也是汽车主机厂和零部件厂着眼的领域。实际上,研究起来更难、可能也更重要的是另外一个角度:锂离子电池是否具备承受高功率输入的能力?
今天分享的论文就是讨论这一话题:
综述(Review)是个好东西:要研究一个领域,原本要花费大量时间去搜索、阅读、整理上百篇论文,而现在只需要看一篇高水平的综述就行了!
快充带来了什么风险?
简而言之,快充带来三个效应:热效应(Thermal effect)、析锂(Li plating)与机械效应(Mechinal effect)
热效应很好理解,根据焦耳定律,发热量是电流的平方关系:
J = I^2 R
再考虑到P=UI,从充电装置的角度来讲,在提高充电功率的情况下不提高电流,只能提高电压,这就是为什么车载800V高压系统对超快充如此重要。
车载高压系统的电压提上去了,只是降低了充电线缆中的发热量。而锂离子电池单体电芯的电压是不可能大幅提高的,它们必须忍受大电流带来的发热量两方面问题:
ü发热总量:电芯本身的散热性能和电池包整体的散热性能都需要加强。
ü不均匀性:汽车热管理做得好,不同电芯之间的温差可以做到±2°C的水平 ,较差也能做到±5°C的水平[5]。但是,这只是电芯表面的温度,快充时内部发生了什么呢?下面两图显示,在快充时电芯内部的最大温差高达10°C以上,正极温度最高。
如果给定了电芯,主机厂仅在热管理层面做再多工作,都很难从根本上改善快充时带来的电芯内部温度不一致性。为改善这一性能,电芯厂需要专门改进电极材料、电芯设计,论文中均有综述介绍。
热效应的危害是什么呢?两个方面:寿命(Aging)与安全(Safety)
关于寿命(Aging),温度高了会怎么样?我们可以参考赵忠详老师的一句台词“春天来了,万物复苏,大草原又到了动物们…………的季节”。锂离子电池寿命衰减的副反应(Side-reaction)和大草原的动物差不多,与温度是强相关。
具体是哪些副反应如此躁动呢?被提及最多的是负极SEI膜(Solid electrolyte interphase)生长。
关于安全(Safety)。今年上半年的特斯拉、蔚来自燃事件,我听过吃瓜群众一种直观朴素的理解方式,“天气本来就热、充电更热,当电池温度逐渐上升到一个临界点之后,就像野草堆一样自己燃烧起来了”。这种理解正确吗?
这种理解有正确的一面:电池热失控(Thermal Runaway)的链式反应确实存在温度临界点。
如下图所示,热失控的蔓延被划分成了3个阶段,纵坐标是对数坐标的产热速率:在任何一个阶段,只要散热速率高于产热速率,热失控就不会继续蔓延。同时我们可以看到,第II阶段的产热速率显著上升(注意,这是对数坐标),这个阶段温度起点T2,对应的就是是吃瓜群众口中的“临界温度”。
那么问题来了,T2有一百多度呢,并不是很容易达到。咱们给它通入电流,是效率高达95%以上的充电行为(产热比例很小),并不是在加热电阻丝。电池包毕竟是半吨重的大家伙,就算白送给你,加热到100多度也很有难度啊!
所以说,仅凭热效应根本达不到临时温度T2,电池包并不像野草堆那么危险。那到底是什么力量,让临界温度T2出人意料地降临?
这就要讨论快充带来的析锂(Li plating)效应了 ——它像一个魔鬼,能大幅降低临界温度T2。
锂离子电池是基于锂嵌入(Intercalation)反应设计,但是当负极电流过大或温度过低时,负极电位低于Li/Li+参考电极的电位时,就会发生锂金属电池才有的锂转化(Conversion)反应,产生金属锂,这也就是所谓的析锂(Li plating)。
锂转化(Conversion)反应非常可怕,它带来的安全事故曾让前途无量的世界第一家锂电池企业Moli Energy破产倒闭[2]。
析锂反应持续发生后,会生长成像树枝一样的结构,大家称之为锂枝晶。让我们看看它的样子[6]:
早期朴素的理解是:锂枝晶不断生产,最终刺穿了正负极之间的隔膜导致内短路(Internal Short Curcuit)[7]. 这种理解直观上说得通,锂枝晶那毕竟是金属啊,刺穿个非金属的薄膜还不是轻而易举?
近年来有另外一种解释渐渐占据上风:锂金属特别软,生产出来的锂枝晶又不是铸造、锻造出来的,更是软趴趴地站都站不起来的微观形态,怎么可能刺穿隔膜呢[8]?
因此,并不是锂枝晶刺穿隔膜导致的内短路热失控,而是锂枝晶的树状结构因为某些机理使得临界温度T2大为降低,从而使热失控更容易发生!
也就是说,快充时的热效应提高了电池温度、析锂效应降低了临界温度,两种效应里应外合,共同导致了热失控的发生。
除对安全性的影响外,快充析锂过程中锂离子数量减少,当然也导致了容量的衰减,对电池寿命也造成了影响。此论文还指出,析锂过程似乎是部分过逆的,快充之后只要让电池赶紧休息一下,锂金属会重新变成锂离子(未能恢复的那部分被称为死锂Dead Lithium)、临界温度T2也会恢复正常的较高值。
最后还有一种机械效应,限于篇幅不再详述,有兴趣的同学可以看论文原文或另外一篇解读[9]。
监控析锂的技术难题——无损诊断
前文讨论了,快充导致的电池寿命衰减与安全性问题,析锂效应扮演着极为关键的角色。
首先要做的是,合理设计电芯与电池包、透彻理解电池模型、准确估计电池当前状态、控制快充过程,在快充过程中尽量避免析锂现象发生。遗憾的是,对于汽车这种动辙几十万辆的量产产品来说,特别是对我们锂电池的理解还不透彻的情况下,全面做到这一点还是非常非常难。
别慌,从析锂到锂枝晶再到锂失控,并不是一个瞬发过程,而是逐渐蔓延的过程。如果我们能够在早期就探测(Detection)到析锂效应,提前采取防治措施或警示车主赶紧去修,就可以避免发展为热失控而带来人身与财产损失。
论文中提到,锂枝晶的探测方法包括:光学显微镜技术(optical microscoppy)、扫描电镜技术(SEM, Scanning Electron Microscopy)、透射电镜技术(TEM, Transmission Electron Microscopy)、核磁共振波谱技术(NMR spectroscopy,Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy)、X射线衍射技术(XRD, X-ray diffracation)等。
遗憾的是,这些方法都不是无损诊断(Non-destructive disgnosis),而是需要将电池拆开后观察。对于严密封装在电池包中的电芯来说,这显然是不切实际的;即便用这些方法来抽检,由于电芯之间存在显著的不一致性,抽检的少量电芯也无法说明整个电池包的安全状态。
那有没有无损诊断方法呢?此论文全面总结了相关研究,大概有6大类方法如下图所示:1) 阿伦尼乌斯曲线(Arrhenius plot)2) 内阻-容量曲线(Resistance-Capacity) 3) 非线性频响分析(NFRA, Nonlinear Frequency Response Analysis) 4) 库仑效率分析(Coulombic efficiency) 5)差分电压分析(DVA, Differential Voltage Analysis) 6) 容量增量分析(ICA, Incremental Capacity Analysis)。
既然有这么无损诊断的方法,八仙过海各显神通,总有一个可以起效果的吧?遗憾的是,事实并非如此!
虽然上述分析方法五花八门,但本质上全面都是同样的电流、电压的外部测量信号在时间维度的数学变换:变换个坐标轴、求个微分、算个积分等等。
打个比方,出土一个五千年的古墓,找到一块骨头(电压、电流信号),出个题让你画出骨头主人DNA(锂枝晶状态)。不能说这不可能,但至少是非常困难的;特别是,如果你还不知道、DNA的双螺旋结构模型(锂离子电池析晶机理)的状态下,更加困难。
还有一种更糟的情况,题目变为:给你一块骨头,让你推断骨头主人的姓名。由于骨头中根本不包括此信息,你就算想破了脑袋也推断不出来啊!此路不通,还不如换个方法,去找找古藉史料呢!
对啊,如果从外部的电压、电流信号实在推断不出来,咱们能够另辟蹊径,找到其它无损探测锂枝晶的方法吗?
正巧,在刚刚结束的第三届国际电池安全研讨会(IBSW, International Battery Safety Workshop)上,全球锂离子大佬齐聚一堂,就有相关报告介绍了一种很有希望成功的方法:在电池负极设计一个结构巧妙的传感器,专门探测析锂现象。若此方法能够成功走出实验室,得以产业化,就可以从根本上解决析锂带来的寿命衰减与安全问题。
讲了那么多,吃瓜群众可能会说:这些我们都不关心,我们只想知道啥时候能以北汽新能源的价格享受保时捷Taycan一样的超级快充技术呢?
针对这个问题,下面一个技术路线图可供参[6]:
作者简介:
张抗抗,清华大学2004级汽车工程系本科、博士,期间在清华大学经管学院拿到本科第二学位。博士毕业后就职上汽乘用车功能安全工程师,2015年选择自主创业,目前为北京紫晶立方科技有限公司联合创始人。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星电池网获悉,来自瑞典电池制造商Northvolt的消息显示,3月25日,其位于德国海德的NorthvoltDrei电池超级工厂正式开工。据悉,该工厂将利用德国第一个风电场所在地区的可再生风力发电,计划雇用约3000名员工,最大年产能为60GWh,足以为大约100万辆电动汽车提供电池产品,将于2026年开始首次运营
北极星电池网获悉,据沃尔沃官网消息,日前,沃尔沃汽车公司与Breathe电池科技达成合作,成为首家获得其最新专利算法充电软件的车企,该软件将应用于沃尔沃汽车新一代纯电产品上。沃尔沃称,该技术进步预期能够将沃尔沃纯电动汽车从10%电量充至80%的时间减少多达30%,同时不牺牲电池的能量密度和汽车的
为进一步加大新能源建设,加速推进V2G项目试点应用,近期,无锡公交集团下属新能源公司购置一批V2G相关设备并开始技术论证。相关方正在就无锡公交现有V2G设备满足充放电功能的BMS系统升级,车、机互通协议等必要条件进行有序对接,围绕项目试点应用技术路线和计划进行重点研究。V2G(Vehicle-to-Grid)
近日,斯巴鲁宣布与松下已正式完成签订BEV圆柱锂电池中长期合作关系协议,松下接下来将为斯巴鲁旗下电动车供应新世代圆柱锂电池。此前,松下计划在2024年4月至9月推出首批4680电池。作为一家日本汽车厂商,和丰田一样,斯巴鲁的电动化步伐有些迟缓。截至目前,斯巴鲁仅推出了一款纯电动汽车,即Solterr
3月19日,小鹏汽车发布2023年第四季度及全年财报。数据显示,2023年,小鹏汽车实现营收306.8亿元,同比增长14.2%;亏损进一步扩大至103.8亿元,毛利率持续下滑至1.5%,汽车毛利率为负1.6%。其中,2023年第四季度,小鹏汽车实现营收130.5亿元,较2022年同期增长154%;净亏损为13.48亿元,同比收窄42.9%
近日,国家工业和信息化部发布公告,同意比亚迪汽车工业有限公司深圳新能源乘用车工厂迁址扩建,比亚迪位于深圳坪山的厂区迁移至深汕特别合作区。中华人民共和国工业和信息化部公告2024年第2号,道路机动车辆生产企业及产品(第380批),第一部分新产品汽车生产企业第85条如是表述:同意比亚迪汽车工业有
北极星储能网获悉,3月19日,小米创办人,董事长兼CEO雷军在微博发文称,“今天是个特别的日子,小米汽车超级工厂正式揭幕。这次董事会选择在小米汽车工厂召开,董事们参观了工厂,并试驾了小米SU7。”
据比亚迪汽车官微消息,3月16日,比亚迪与京东集团在北京京东总部正式签署战略合作协议。双方将基于各自优势与产业领域的深厚积累,在乘用车相关领域、商用车场景应用、数智化供应链服务、物资集采及综合服务等领域全面展开合作。以物流运输方面为例,比亚迪商用车依托集团混动领先技术、高安全刀片电
据小米公司发言人官博消息,小米公司发言人3月18日辟谣,“网传小米SU7的产能,从10.7万提升至13.3万”为不实消息。
据日经新闻消息,日产汽车与本田将签订备忘录,在纯电动汽车领域展开全面合作,将推进电动汽车核心零部件的通用化及零部件的共同采购。两家公司考虑今后实现电动汽车核心零部件通用化、联合采购零部件及联合开发软件等。首先,双方将成立工作小组,开发负责人之间互相讨论,具体确定可以合作的范围。具
2023年第四季度,新能源汽车制造商比亚迪的纯电车型季度销量首次超过特斯拉,这展现了中国企业在全球电动汽车市场上的实力,也意味着这家以造电池起家的汽车公司已经成为中国第一大汽车制造商。比亚迪的成长也可以看作我国新能源汽车发展的缩影。2023年,我国新能源汽车销量达到949.5万辆,同比增长37.
北极星储能网获悉,3月22日,交通运输部发布《2024年交通运输更贴近民生实事》,明确提出加大公路沿线充电基础设施建设力度,优化布局、加密设置,新增公路服务区充电桩3000个,充电停车位5000个,持续提升公路沿线充电服务保障能力。原文如下:2024年交通运输更贴近民生实事2024年,交通运输部将以习
北极星储能网获悉,3月20日内蒙古自治区交通运输厅、财政厅印发关于修订《“十四五”推广应用新能源巡游出租汽车奖补实施细则》的通知。新修订的《细则》提出,购买符合要求的充电巡游出租车每车补贴4万元,购买符合要求的换电巡游出租车每车补贴4.5万元,以国家规定的强制报废标准计算,燃油(气)巡游
3月19日,福建福州市人民政府印发福州市新型基础设施建设三年行动方案(2023—2025年)。其中指出,加快边缘算力建设,支撑智能制造、智能电网、电竞游戏等低延时、高带宽业务发展,实现泛在算力、全景覆盖、协同发展。同时,加强行业算力建设布局,满足工业互联网、教育、交通、医疗、金融、能源等行
北极星储能网获悉,3月19日,郑州印发郑州市电动汽车充电基础设施发展规划(2024—2035年)的通知。通知指出,截至2025年末,全市将新建公用充电设施1万个,专用充电设施0.5万个,居住小区充电设施15.5万个,换电站20座,超级充电站300座,乡镇地区充电站458座,形成城市核心区充电服务半径小于1公里的
北极星氢能网获悉,3月17日,位于七台河市冠军路的黑龙江首个加氢加油充电站综合能源示范站正式投入运营。该项目由中国石油黑龙江销售公司牵手宝泰隆新材料股份有限公司、七台河市城市建设投资发展有限公司共同打造,它既是黑龙江省在发展新能源产业上的全新尝试,又是企地合作共谋转型新路的有益探索
3月11日,中国充电联盟发布2024年2月全国电动汽车充换电基础设施运行情况。其中,充电基础设施与电动汽车对比情况,2024年1-2月,充电基础设施增量为53万台,新能源汽车国内销量102.5万辆,充电基础设施与新能源汽车继续快速增长。桩车增量比为1:1.9,充电基础设施建设能够基本满足新能源汽车的快速发
北极星储能网获悉,近日,小桔能源联合中国电气装备投资公司建设的深圳坪山沙湖站配储项目正式投运。双方依托各自在电气装备制造、技术平台等优势,加速推动新型储能发展,进一步助力实现“双碳”目标。此次联合投运的充电站配储项目,是双方在国家“双碳”目标下对储能新模式建设应用的全新尝试与探索
北极星储能网获悉,据北京朝阳商务局官微“北京朝阳商务”消息,3月4日,梅赛德斯-奔驰与宝马合资成立的北京逸安启新能源科技有限公司正式落户北京朝阳,将在中国市场运营超级充电网络。2023年11月30日,梅赛德斯-奔驰(中国)投资有限公司与华晨宝马汽车有限公司宣布签署合作协议,双方在中国成立合资公
近日,全省能源工作会议在南昌召开。会上,赣州市发展改革委作典型交流发言,是全省2个发言设区市发展改革委之一。2023年,在市委、市政府的坚强领导下,在省发展改革委、省能源局的精心指导和关心支持下,市发展改革委坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指引,深入贯彻落实“四个革命、一个合
2月27日,2024华为中国数字能源伙伴大会在深圳隆重举行。此次大会吸引了来自全国的伙伴、产业组织以及媒体等2000多人现场参会,结合线上共近万人参会,共同探讨和展望了能源产业的发展趋势,与华为携手合作,共同致力于推动能源产业的高质量发展。恒华科技作为华为智能充电网络重要合作伙伴应邀出席本
北极星输配电网获悉,海南海口供电局持续推动智能有序充电站在更多小区推广应用,为新能源电动汽车的发展提供有力支持。该局选取电力容量紧张的海口滨海华庭小区为试点,建成智能有序充电站,全站共15个充电桩,可满足15辆新能源电动汽车充电需求,同时有效保障小区其他生活用电稳定供应。自智能有序充
潺潺的流水应和着青山和花海,悠扬的驼铃传唱着千年的故事,这片古老的西北大地,早已改变雾霾沙尘的旧貌,绿色新颜扮靓了西宁湟中的山河。清洁能源送进千家万户、袅袅炊烟中飘出欢声笑语,绿色发展让西宁民众的生活更加美好。日前,格力钛新能源系列车型齐进青海省西宁市,承担湟中区绿色交通网络建设
北极星储能网获悉,3月27日,四部门发布关于印发《通用航空装备创新应用实施方案(2024-2030年)》(以下简称《方案》)的通知。《方案》指出,推动400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产,实现500Wh/kg级航空锂电池产品应用验证;开展400kW以下混合推进系统研制;推进250kW及以下航空电机及驱动系统规模化
旺能环境公布2023年度业绩快报,报告期内,公司实现营业收入31.95亿元,较上年同期下降4.61%;实现归属于上市公司股东的净利润为5.90亿元,同比下降18.19%;扣除非经常性损益后的归属于上市公司股东的净利润5.90亿元,同比下降11.58%;基本每股收益1.37元。公司实现归属于上市公司股东的净利润为5.90亿
北极星电池网获悉,据Li-Cycle官网消息,当地时间3月26日,加拿大锂电池回收企业Li-Cycle宣布,预计裁减约60个职位,约占公司全球员工总数的17%。该公司预计在2024年第一季度末基本完成裁员,并预估裁员相关总费用约为830万美元,大部分将在未来12个月内作为现金遣散费支付。
锂电池行业去库存以及价格战,将是一个非常长期的过程。据工信部的数据,自2022年我国锂电池行业总产值首次突破万亿元大关之后,2023年这一数据再创新高,超1.4万亿元。同时,2023年,锂电池行业产品价格出现明显下降,电芯价格降幅超过50%。产品价格下滑的同时,产能利用率也在下滑。以锂电池头部上市
北极星储能网获悉,3月20日,国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)发布关于批准406项国家标准的公告。其中3项标准与储能相关,将于2024年10月1日实施。《锂离子电池和电池组能源转换效率要求和测量方法》主要起草单位为:中国电子技术标准化研究院、广州赛西标准检测研究院有限公司、蜂巢能源
“到2030年,锂电市场规模将有望达到5500亿欧元。”近期,保时捷管理咨询公司与德国机械设备制造业联合会(VDMA)共同发布《电池制造2030:极速协作》报告。该报告指出,为了满足上述高增的市场需求,同期锂离子电池电芯、模组制造装备的累积投资也将达到约3000亿欧元(约合人民币2.35万亿元)之巨,而中国
北极星储能网讯,3月22日,赣锋锂业发布《关于与Pilbara公司签署合作协议的公告》。根据公告显示,赣锋锂业与Pilbara各出资50%开展锂化工厂项目的可行性研究,并根据可行性研究结果由双方共同批准推进最终投资决定以及成立合资公司。合同的主要内容1、赣锋锂业与Pilbara各出资50%开展锂化工厂项目的可
初春的湛江,海湾波光粼粼,城市脉络清晰。近日,以“碧海绿”为主色调的格力钛新能源经典公交车再次“游”入国家省域副中心城市广东湛江,投运于东海岛沿海重要交通干线——开发区公交500K快线(东堤客运站至东南码头客运站),为这座海滨城市再增添一道亮丽的风景线,打造“绿色海岛交通”新名片。助
北极星储能网讯,3月22日,中瑞股份发布《首次公开发行股票并在创业板上市发行公告》。根据公告显示,本次发行采用向参与战略配售的投资者定向配售(以下简称“战略配售”)、网下向符合条件的投资者询价配售(以下简称“网下发行”)及网上向持有深圳市场非限售A股股份和非限售存托凭证市值的社会公众
北极星电池网获悉,据新疆自治区自然资源厅消息,日前,受自然资源部委托,新疆成功挂牌出让和田县甜水海锂矿勘查等3宗锂矿探矿权,总成交价25.6269亿元,竞得人均为民营企业。3宗探矿权分别为面积18.83平方千米的和田县甜水海锂矿、面积6.7059平方千米的和田县大红柳滩外围龙门山锂矿和面积105.3935平
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!