英国威尔士卡迪夫城市大学:動力電池能量密度在2020年目標能否實現

來源:鉅大LARGE    2019-05-31    點擊量:135

卡迪夫城球场 www.wlvaik.com.cn 三元鋰離子動力電池目前已經看到能量密度的“天花板”了,高鎳材料、碳硅負極的鋰電池單體能量密度最高應該在300Wh/kg左右,正負不超過20Wh/kg。

——國家“863”計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉。

按照國家動力電池技術路線圖的規劃,2020年鋰離子電池的單體能量密度目標為350Wh/kg,從目前的動力電池技術來看,肖成偉認為這一目標可能無法達到。

而現在距離2020年還有1年時間,可以產業化的下一代動力電池也并沒有浮出水面。

目前,我國新能源汽車市場上的純電動汽車所搭載的動力電池,大多數為三元鋰材料和磷酸鐵鋰材料電池。盡管相比鉛酸和鎳氫電池,能量密度已經有了極大的提高,但是依然難以打消消費者的里程焦慮困擾。

毫無疑問,動力電池技術瓶頸在很長一段時間內,阻礙了新能源汽車產業化進程。

那么,鋰離子電池密度究竟還能不能再提高了?

無論是三元鋰材料電池還是磷酸鐵鋰電池,基本都由四大關鍵部分組成,即正極、負極、電解液和膜。現在基于這四種組成部分的鋰電池,再提高能量密度并做到產業化應用,可能性不大。

一項新技術從實驗室走向應用,往往要經歷很多年的時間。

上海市機動車檢測中心副主任繆文泉認為,2020年并不是一個遙遠的未來,目前還沒有看到任何確定性的解決方案,可能達成上述目標的新一代動力電池體系也屈指可數。

那么動力電池達不到技術路線規劃的目標,我國新能源汽車發展的進程會不會受阻?

當然不會!

因為影響動力電池性能的不僅僅是比能量密度一個指標,還有動力電池的比功率密度、安全性、一致性、循環壽命等多種因素,在眾多指標和成本之間找到一個產業化應用的平衡點,才是支撐新能源汽車發展的關鍵。

此外,目前日韓正在研究膠體電池,這是一種沒有電解液和隔膜的新型電池,有可能給電池帶來質變,但是現在還沒有產業化的消息。

在繆文泉看來,提高動力電池比能量的技術途徑有很多:

一是工藝進步,但如今電池工藝設計已相對成熟,提高電池比能量的空間不大;

二是材料性能的提升,受制于自身物化性能,以磷酸鐵鋰和三元鋰為正極、碳材料為負極的鋰離子動力電池在能量密度上很難有大的突破;

三是新材料、新體系,即開發高比能新材料、發展動力電池新體系是未來動力電池比能量大幅度提升的主要途徑。

如果不能有效地提高電池能量密度,那么是不是可以考慮從給電池包整體減重的角度去提高能量密度呢?

中國電池工業協會張旻昱博士認為,這個思路完全可行。她表示,動力電池電池包中,電芯的重量一般在1/3-2/3之間,其余部分為電路板、殼體等配件。如果將這些配件的重量有效降低,同時維持現有電芯能量密度的情況下,電池包整體的能量密度會有一個明顯的提高。

在2010年左右,動力電池包因為安全等需要,往往采用金屬外殼,電池包整體能量密度很低。后來在更換高聚合物外殼后,能量密度就有了一個大幅的提高。

電池包能量密度是一個系統問題,提高電芯能量密度是一個直接手段,但是如果做好電芯的布置,電路的規劃,減輕殼體重量,為電池減負,也是提高電池能量密度的一個有效手段。

在實際應用中,北汽新能源EV200車型的電池箱下箱體使用鋁合金材料,上蓋采用復合材料,能夠有效減重幾十公斤。

北汽新能源副總經理王可峰表示,通過降低電池箱整體重量,可以實現整車減重,是提升電池箱能量密度的一個有效手段。另外他表示,更換更輕材料一般都會導致電池成本的上漲,現在北汽新能源也在加緊這方面的研究,爭取應用更輕更強成本更低的材料。

目前來看,各大電池企業為達成350Wh/kg的目標,不僅需要研發新電池,還要對電池包進行減重,兩者要并行。

動力電池因為裝配在汽車之上,需要經過各種工況的測試,要保證一定的結構安全。將鋼殼換成碳纖維殼或其他材料的外殼,只要能保證強度要求,完全可行。

另外,電池包另一項重要指標是散熱與均熱能力。如果電池組局部過熱,會導致電池內阻不一致,電芯放電容量下降,那些放電不充分的電芯從某種意義上說,為電池包增了重。

雖然電池包能量密度達到350Wh/kg,光靠為電池減重可能是無法達到的,但是動力電池作為一個系統,這方面的作用不能忽視。國內企業比較缺乏基礎性研究,過度追求高比能量電芯,這是錯誤的,應該均衡發展,在研發新型材料電池的同時,重視對現有電池體系的減重。

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