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特斯拉上的电池原来是这样的!新能源车电池到底靠不靠谱?


日期:2018-11-24  阅读:

   电池的发展是一个缓慢的过程。考虑到安全、成本和效率,寻找一款能广泛应用车辆的电池更是难上加难。那么,新能源车上的这些电池的材料和原理又是怎么一回事?

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六类锂电池

   目前锂离子电池主要是按照正极材料的不同来分类,因为负极材料对电池能量密度的影响不大,业界主要通过不断改进正极材料来努力提升电池的性能。

   市面上最早有六类电池材料:钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰和镍钴铝。

   钛酸锂是作为负极材料是用的锂电池,受制于材料限制,能量密度很低,基本限制了它的发展。钴酸锂因为能量密度相对较高,可寿命和耐高温性能较差,被广泛应用在手机等数码设备当中。锰酸锂成本低而且稳定,但能量密度也比较低。在电动车发展初期,也有厂商使用了钴酸锂和锰酸锂这两类锂电池,有一些混合动力车型至今仍在使用,但目前行业发展趋势已经很明朗了,这两款电池逐渐被综合性能更好的磷酸铁锂与三元锂电池所取代。

   综合起来,目前广泛应用于电动车行业的主要有两类电池材料——磷酸铁锂电池和三元锂电池。

   不同电池材料会赋予电池不同特性,今天我们就跟大家讲讲这两类主流电池材料和他们的优劣点及应用车型。在开篇之前,我们依旧强调:技术并没有好坏或者优劣之分,技术的运用适用于不同的产品或者环境,而不是技术A的出现会把技术B淘汰。


什么是磷酸铁锂电池与三元锂电池?

   磷酸铁锂电池(LFP):用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池。

   三元锂电池:使用镍钴锰(NCM)或者镍钴铝(NCA)材料做正极材料的三元复合物锂电池,是未来消费级电动车使用大趋势。

   同样都是锂电池,为什么两类电池的使用场景会有区别?接下来我们就跟大家聊聊这两种电池的不同特性。


材料决定性能

   电池能量密度:三元锂电池>磷酸铁锂电池

   电动车的动力来自电池的充放电,电池性能的关键是能量密度,也就是单位电池质量中储存能量的大小(单位瓦时/千克)。电动车拥有高的能量密度,代表能提供更多的动力,俗称“劲儿大”。

   受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台低,磷酸铁锂电池的能量密度基本维持在140瓦时/千克左右。而三元锂电池电压高,能量密度基本为240瓦时/千克。也就是说,在相同电池重量下,三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。

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   上图为海外研究机构调研关于市场上平均能量密度的曲线图。NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)同为三元锂电池,但能量密度也不一样,可以看到三元锂电池能量密度明显高于磷酸铁锂电池。

   不同厂家会研发不同“配方”的三元锂电池(镍、钴、锰三者不同比例),特斯拉Model3使用的21700 NCA三元锂电池电芯的能量密度高达260瓦时/千克,是目前的量产电动车里最高的,它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5,属于“高镍电池”。

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▲ Tesla的柱状三元锂电池

   但是高镍电池由于能量密度过高,在安全上存在较大隐患。为了降低电池危险,会选择采用镍钴铝比例5:2:3的NCM三元锂电池。虽然电池能量密度相较NCA略低,但整个NCM电池技术和安全却能有效把控。

   电动车的动力来自电池的充放电,电池性能的关键是能量密度,也就是单位电池质量中储存能量的大小(单位瓦时/千克)。电动车拥有高的能量密度,代表能提供更多的动力,俗称“劲儿大”。

   受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台低,磷酸铁锂电池的能量密度基本维持在140瓦时/千克左右。而三元锂电池电压高,能量密度基本为240瓦时/千克。也就是说,在相同电池重量下,三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。

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▲ 为了便于理解,我们用表格体现NCM与NCA不同电池材料的能量密度

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▲ 理想智造ONE使用的是方壳形NCM电池

   安全性:磷酸铁锂电池>三元锂电池

   磷酸铁锂的化学键稳定,电热峰值大于350℃,高温下不易分解(可以坚持到700℃以上),三元锂电池热稳定性较差,300℃下容易分解,容易出现电池损坏。所以在高温条件,磷酸铁锂的安全性相对较高。以三元锂电池为动力的车型需要防过温保护装置的电池和电池管理系统来保护电池的安全。

   使用寿命:磷酸铁锂电池>三元锂电池

   考察电池寿命就是考察电池在多次完全充放电后的电量衰减,一般电动车电池充满后衰减到原有80%电量就代表电池该换了。

   磷酸铁锂电池的完全充放电循环次数>3500次后电量才会衰减到原有标定的80%。也就是说如果每天充放电一次,磷酸铁锂电池近10年才出现明显衰减现象。

   三元锂电池比磷酸铁锂电池寿命低一些,完全充放电循环大于2000次会出现衰减现象,也就是6年的时间,需要电池管理和车辆电控系统来延长电池寿命。目前电动车上的三元锂电池基本上能保证8年以上才会出现明显衰减。

   小知识:未用光电池的前提下,电动车慢充电其实是有助于延长电池寿命的,所以不要怕老充电对电池不好。

   低温性能:三元锂电池>磷酸铁锂电池

   还是由于电池的化学材料,电动车的冬季里程衰减是困扰电动车普及的大问题。目前世界上所有的电动车在冬天都会出现不同程度的里程衰减。

   磷酸铁锂电池的低温温度使用下限值(-20℃),且低温环境下放电性能差,冬季时里程衰减严重(将近40%)。三元锂电池低温温度使用下限值(-30℃),低温放电性能好,与磷酸铁锂电池相同低温条件下,冬季时里程衰减不到15%,明显高于磷酸铁锂电池。

   为了避免出现明显的里程衰减现象,车辆需要用热管理来保证电动车冬季性能,这点我们会单做文章跟大家仔细聊聊。

   成本:三元锂>磷酸铁锂

   由于磷酸铁锂电池中没有贵重金属(镍钴金属元素),所以在生产成本上较低。

   如上文所说,三元锂电池使用了镍钴锰多种矿材料,并且高镍电池的生产需要比较严格的工艺环境,目前成本比较高。


电池性能决定使用场景

   正是磷酸铁锂电池与三元锂电池的不同特性,各自被广泛应用于不同使用场景的电动车中。

   日常乘用电动车:动力需求高,电池布局紧凑,冬季性能需求高,使用寿命短(6-8年换车周期)。

   大型公交车,社会作业车,经济性车:动力需求低,充分的电池布局空间,使用寿命长(10年以上使用周期)。

   综上,没有绝对优秀的电池材料,按照性能寻找适合使用的场景。三元锂电池和磷酸铁锂电池各有长短。按照需求来看,三元锂电池更适合搭载车型更小,强调动力的日常乘用车,但需要加强电池和电控系统的管理,磷酸铁锂电池更适合搭载于对电池布局要求低,使用寿命长的公共通勤工具和社会用车上。


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