探索动力电池能量密度,解析动力电池原理

来源:钜大LARGE    2018-02-27    点击量: 268
  纯电动车动力电池的能量密度高低有多重要?
 
  这似乎就像在讨论心脏的跳动对于人体有多重要一般,一辆纯电动车,或者说的更标准一点,一辆电池动力车的性能、续航里程、可靠性都取决于其电池包内的电池数量以及单节电池内的能量密度。这个公式很好理解:总电量=电池数量×单节电池能量密度。
 
  而现代汽车的结构设计其实已经很死板了,留给电池组的空间也就那么一点,大部分车型都集中在坐舱地板下方,当然这也是出于安全性和空间性的考虑。
 
  所以说,电池数量已经被限制在某一个区间内,无法大幅提升。想要增强电池车性能,唯有在能量密度上做文章。
 
  首先,什么是电池能量密度?
 
  能量密度(Energy density)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。
 
  电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。
 
  ● 圆柱形锂电池
 
  关于电池能量密度,现在我们都知道了它俨然是目前电池行业,甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口,但是突破它,真的是很难啊!
 
  ● 典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比
 
  据悉,电池的能量密度基本由电池的正负极决定的,但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电,得有很多非活性物质,比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。
 
  我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量,得出的能量密度与事实相差较大,误导吃瓜群众。其实,这部分相当重要,就拿过去十几年的技术进步来说,电池能量密度的提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。
 
  ● 能量密度的变化与预测
 
  还有的就是以增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。
 
  我们最熟悉的例子莫过于:率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。而原因并非18650电池有任何质量问题,只是18650电池单颗容量小,普遍在2-4Ah左右,串并联数量过多,单体失效风险概率较大,导致其在电动汽车领域的应用受到一定的限制。
 
  而21700电池在尺寸上相比18650电池(直径18mm,长度65mm)更大,达到了直径21mm,长度70mm。如果想再形象一点来考虑这个问题,我们不妨来看看来自Hitech Energy的计算,仅考虑单体的密集堆积进行计算,可知:30支21700的体积是40支18650体积的1.1倍,质量则为0.97倍。
 
  在同等能量下,所需电池的数量可减少约1/3,电池包内部金属连接件数量减少,从而进一步降低电池包的重量,整车的能量密度将得到部分提升,达到接近300kw/kg。
 
  以下三点尤为引人注意:
 
  1.到2020年,锂离子动力电池单体比能量大于300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本小于1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力。
 
  2.到2025年,单体比能量达500Wh/kg。
 
  3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。
 
  我国各电池动力锂电池能量密度达到什么水平了呢?
 
  比亚迪:目前,比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh,而接下来比亚迪计划将能量密度继续提升到160Wh。除了磷酸铁锂电池,比亚迪也在同步开发三元锂电池,而如果将三元锂电池的技术结合到磷酸铁锂电池上,对原有用石墨作为负极材料的做法进行一些调整,那么在2020年左右,比亚迪计划将磷酸铁锂电池的单体能量密度提升到200Wh。
 
  另外,在跟进的三元电池方面,比亚迪的三元电池已经具备量产条件,目前能量密度也达到了200Wh/kg。比亚迪三元电池的目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg,2020年达到300Wh/kg。
 
  沃特玛:生产的32650圆柱型动力磷酸铁锂电池,单体能量密度已经达到145Wh/kg,下一步目标是实现160Wh/kg;三元电池目前能量密度为200Wh/kg,预计到2020年达到300Wh/kg的水平。
 
  国能电池:早在2013年,国能磷酸铁锂和三元电池单体能量密度就达到了160Wh/kg和200Wh/kg。预计2017年年底,磷酸铁锂电池单体能量密度将达到180Wh/kg、PACK达到134Wh/kg,三元电池能量密度将突破240Wh/kg。
 
  捷威动力:在能量密度方面,公司目前已经量产的三元软包电池单体比能量达210WH/Kg。在提高电池安全性的基础上,预计2020年公司软包电池单体能量密度可达300WH/Kg,Pack成组后可达220WH/Kg;钛酸锂电池单体能量密度达到110WH/Kg以上。
 
  智慧能源:公司量产的动力电池单体能量密度可达220Wh/Kg,PACK成组后能量密度达到140Wh/Kg。同时,公司BMS系统可做到5级防护,电池包采用轻量化材料,并进行了结构优化。
 
  比克电池:2016年,比克三元材料动力电池行业占比30%以上,位列第一。目前比克单体电芯能量密度近220Wh/kg,后续还将进一步提升至300Wh/kg。
 
  卡耐新能源:卡耐新能源已经可以批量供应能量密度220Wh/kg电芯,系统比能量大于130Wh/kg电芯,同时工艺和技术层面已经分别实现250Wh/kg、技术300Wh/kg产品储备。
 
  可以预见,随着政府的大力支持和倡导,电池技术和行业发展会迎来重大变革。作为纯电动车的命脉,电池单体能量密度肯定会有所提升,达到非常有竞争力的水平,届时对电动车产业的发展和推广的作用也是巨大的。
 
相关文章
延展阅读

定制案例

钜大特种锂离子电池工程研究院

钜大特种锂离子电池工程研究院

钜大特种锂离子电池工程研究院是由东莞钜大电子有限公司兴建,并与中南大学、华南理工大学和东莞理工学院相关科研团队联合运营的特种锂离子电池产业化研发中心,研究院秉持"以特殊环境、特殊用途和特殊性能的需求为导向,以产学研深度融合为创新驱动"的办院方针,力求满足用户独特的需要,从而为用户创造独特的价值。