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锂电池的极限突围

北极星储能网  来源:NE时代  作者:Leslie Ding  2019/10/11 8:29:18  我要投稿  

北极星储能网讯:高镍三元液态电池要怎么解决安全问题,固态电池能否成为下一代动力电池技术……锂电池的安全性、能量密度、成本能否撑起电动汽车的未来?当这些问题得到解答,锂电池将迎来真正地起飞。

(来源:微信公众号“NE时代” ID:NEtimes2017 作者:Leslie Ding)

今年的诺贝尔化学奖颁给了锂电池,锂电泰斗J. B. Goodenough成最高龄获奖人。

这份诺贝尔奖对锂电池意义重大。半个世纪以来,他们研制出一个可充电的锂电池,创造出可充电的世界,却迟迟没有获得诺贝尔奖。而我们已经凭借这项发明享受到种种便利。

但这个时间点很奇妙。

锂电池已经普遍用于手机、电脑等消费电子中,是我们日常生活中离不开的工具。即使曾否认它的汽车,也将它加诸于身,作为动力电池提供驱动车辆的能量。锂电池的开发进度,甚至成为电动汽车能否驶向未来的关键。它,似乎迎来自己的高光时刻。

另一方面,锂电池遇到了它的另一个转折点。这就是汽车行业对锂电池的接受程度。为了能够将锂电池发展为更合格的动力电池,国内外电池企业从正负极材料入手,探索高镍三元锂电池的应用。锂离子电池从NCM111、NCM523一路升级到NCM622、NCM811。当正极的化学配方依据能量密度的方向得以重新调整时,现有锂电池的短板就呈现了出来。它无法兼顾能量密度和安全,实现平衡。无论车企还是消费者,对它在汽车上的应用存有疑虑。

高镍三元液态电池要怎么解决安全问题,固态电池能否成为下一代动力电池技术……锂电池的安全性、能量密度、成本能否撑起电动汽车的未来?当这些问题得到解答,锂电池将迎来真正地起飞。

液态电池能量密度和安全的平衡

三元锂电池努力的方向先是集中在能量密度和降本上,而后侧重于安全。

2017年以来,补贴政策对能量密度的要求提高了许多。最低系统能量密度临界值从2017年的90Wh/kg到2018年的105Wh/kg,2019年的125Wh/kg;最高补贴系数为120Wh/kg、160Wh/kg和160Wh/kg。

能量密度的提升直接对应到续航里程的增加上,电动汽车的续航从200KM向300KM、500KM攀升。

为了适应能量密度向前向上转变的速度,不少车企抛弃更为安全的磷酸铁锂电池,转而使用三元锂电池。到今年,三元锂电池的能量密度最高达到180Wh/kg。

能量密度提高的方法,一是改变正负极材料体系,二是减少电池组配件重量。而这两种方法均会导致液态锂电池的热失控,最后形成事故。

中国科学院院士欧阳明高在近日的国际电池安全研讨会提到,正极三元材料的镍含量不断提高,它的释氧温度不断下降,正极材料的热稳定性越来越差。释氧温度下降就意味着锂电池更加不耐热,正极材料容易发生分解,释放活性氧,进而导致电解液的氧化分解。它的后果是产生更多的热量,引发锂电池的热失控。

若减少电池组配件,如做薄隔膜、正极铝箔、负极铜箔,固然能够减轻电池的重量,减小电阻,提高性能,但也会加大短路的风险。

能量密度提高的代价是牺牲掉循环寿命和安全性,但电动汽车的普及需要能量密度和安全性的并重。因此,电池供应商从正负极材料、新型安全电解液、安全隔膜材料、热管理等层面探求高镍电池、模组及PACK的热安全方案。

正负极和电解质层面,如欧阳明高所言,从多晶到单晶就可以使释氧的温度提升100度;可以使用高浓度电解质,降低防热功率,且不与正极发生反应。

当电芯或PACK出现热失控,更精密的BMS和TMS是抑制失控反应的关口。它可以防止由于过充电或过放电对电池的损伤,并且可在必要时刻切断高压电气系统,确保电池包的安全性。

除此之外,对电芯异常的预警和报警,防火隔热材料在液态锂电池热失控中均是保证乘客安全的措施。

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高镍三元锂电池应该是最适合当下电动汽车要求的电池,如果它的安全性能够得到稳定保证。但若谈到未来,它也只能成为过去。

固态电池的技术储备

中国科学院物理研究所研究员陈立泉指出:“想要达到2020年及以后的动力电池能量密度发展要求,实现能量密度大于500Wh/kg的目标,现有的液体电解质电池体系恐怕无能为力。作为下一代面向500Wh/kg的电池技术路线,固态电池体系的研发已成为刚需。新能源汽车产业中长期发展需要新的技术储备,固态锂电池则有望成为下一代车用动力电池主导技术路线,它不只是未来二次电池的重要发展方向,也是当前的重要任务。”

液态锂电池触及安全和能量密度天花板,国内外众多电池企业探寻下一代动力电池的解决方案。至少现在,对比多项电池正负极材料和技术后,固态电池被视为最有希望突破锂电池瓶颈的电池。本次获诺奖的Goodenough先生是全固态电池的坚定支持者,多年来从事全固态电解质的研究。

为更好解决当前电动车电池所面临的各类问题,汽车产业中许多企业都把眼光了瞄向了下一代汽车电池技术。

尤其在今年,固态电池的声音格外响亮。国内造车新势力蔚来、爱驰与辉能签下固态电池样车开发协议,哪吒汽车与清陶达成合作。欧洲,宝马投资了美国电池公司Solid Power;大众投资QuantumScape,可能从2024或2025年开始批量生产;雷诺到2025年将使用钴含量为零的固态电池。

日本,丰田、松下等23家汽车、电池和材料企业及15家学术机构联合研发电动车全固态锂电池。韩国,LG化学、三星SDI和SKI联手开发固态电池、锂金属电池和锂硫电池。

从热失控的角度出发,固态电池相比现在的液态电池更为安全。固态电解质或混合电解质替代液态电解质,避免内部短路的产生,强化安全性。

目前电池企业开发的固态电池前面没有加“全”字。全固态电池受制于技术和成本,难以量产。因此类固态电池作为过渡产品,从解决电池安全入手,到实现规模效应,降低固态电池产业化的成本。

在《能量密度高,成本低……这是真实的固态电池吗?》一文中,NE时代记者通过采访和资料搜集等途径,尽力挖掘固态电池的真实样貌。我们了解到,固态电池相比液态锂电池最明显的优势是安全。但在电芯层面它的技术还没有成熟到打开能量密度大幅提升的大门。

到大家关心的产业化进展方面,国内固态电池企业普遍处于中试阶段,2023年至2025年是固态电池能够规模量产的起始时间段。

固态电池基本上是下一代电池技术储备中走得最靠前的动力电池。但它的未来存在一些不明朗的因素,需要一步步地攻克。

液态锂电池平衡术待练,固态电池技术不成熟,但我们对这些技术的突破又充满期待。三位锂电元老的诺奖正是诞生于希望与质疑同在的时刻。这份诺奖更像是对锂电池过往的认可,对未来的鼓励。


原标题:锂电池的极限突围

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