電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

2021-07-17 00:10:43 作者:黃恒樂
 
電池壽命

  我們如此關注二次電池的壽命,卻對汽柴油機的壽命并不上心。到經銷商購車時,消費者基本上不會問“這臺發動機能用車報廢嗎?”,畢竟現在已經2021年了,誰家車子還準備開個100萬里程/30年車齡然后重新吊裝一臺新發動機進去,再開啟下一個30年? 

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  嗐,電動汽車可就折騰了,請問你買電動車的時候準備開30年嗎?但凡有盤花生米都不會醉成這樣……

  我們都用過大量的鋰離子電池產品,最典型的就是智能手機,它的電池特性非常接近我們的電動汽車:

  1、只有唯一儲能/供能裝置;

  2、電池嬌貴得很;

  3、電池超級不經用,我們因此患上續航焦慮癥;

  4、電池充放幾百次就不好用了。

  這就是我們今天要討論的話題:電池并非紅顏但為何如此薄命?

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  電池的壽命分為循環壽命與日歷壽命,循環壽命還能細分為標準和工況:

  1、標準循環壽命(Cycle Life:用充放電循環次數來計算電池壽命,當電池容量低于額定容量的一定值時(比如額定的80%以下)就視為電池壽命終結。

  由于查看國標官網出現文件錯誤的問題,所以用的是其他網站的帶水印截屏。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  2、工況循環壽命(Working Condition Life):多用于動力電池,現行的是國標GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》,按照規范跑循環最終得到一個循環數據結果。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  3、日歷壽命(Calendar Life):生產出來之后到電池罷工的時間,不是用循環次數計算,而是用年。這些時間包括電池靜止不工作和正在工作的時間,所以這個時間需要考慮溫度、荷電狀態、充放電倍率等等外部因素。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  基于上述信息,因為日常很少用到日歷壽命,我們一般會把“電池壽命”、“電池循環”、“電池循環壽命”定義為同一件事物。

  值得注意的是,我們說的1個循環 = (一次充滿至100%的過程)+(一次放空至0%的過程

  也就是你插上去從30%充到80%又從80%消耗到30%,這只能算0.5個循環,重復多一次才算跑完1個循環。

  循環壽命用完之后,電池就完犢子了,這時候我們會說電池壽命EOL(End Of Life)。

 
為什么關注電池壽命?
1
 
用戶體驗

  為什么電動汽車用戶關注電池壽命的強度,遠遠高于智能手機和筆記本電腦的用戶呢?

  鋰離子電池循環次數多了之后,鋰枝晶慢慢聚集,活性鋰減少,電池容量變得越來越低,充電速度越來越慢,放電功率越來越小,各位的汽車、手機和電腦上的電就越不經用。

  手機和電腦還能換電池,去官方服務店十分鐘弄好,但電動汽車就賊麻煩了,脫離汽車單獨銷售的動力電池沒有高額國家補貼,此外換電過程非常麻煩,畢竟沒有幾臺在售電動車是標配換電模式的。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  一套換電大保健下來,成本居高,保值率極低,還不如直接換車。

2
 
保值率

  筆者非常喜歡用索尼D系列的線性錄音筆,索尼喜歡用AA電池來供電,錄音筆用上十年也沒關系,因為隨著AA電池技術的提升,續航能力一年比一年厲害。

  可是電動汽車的續航曲線是完全相反的,一年一個臺階往樓下滾,五年基本就是撲街狀態了,運營車輛更是兩三年形同廢物。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  正因為電池壽命相比汽柴油機壽命而言非常拉胯,二手車商都很忌諱收電車,砸手里的概率太高。別忘了,靜置的電池還會消耗日歷壽命,而且現在鮮有專業設備精準監測電池剩余壽命,這就意味著你數十萬收的這臺電動汽車,里頭最貴的是“薛定諤的動力電池”。

3
 
擁車成本

  現在很多車企喜歡拿“每公里能耗價格”來掩蓋電動汽車的成本拉胯事實,沒有人站出來說電動汽車殘值率過低導致“全生命周期的擁車成本過高”之問題。

  當然,筆者并非用循環壽命的缺陷一味貶低電動汽車,我只是想表述一個客觀事實:如果你的年行駛里程很高,比如3-5萬公里/年,購買一臺消費級電動汽車大概率更省錢;如果你的年行駛里程很低,一萬幾千公里,那么汽油車是目前更實惠的選擇。

4
 
環保需求

  電池壽命過短,缺乏換電模式,電/車分離不補貼,這三個原因共同促成了電動汽車的環保缺陷。

  因此,電池配方、電池工藝僵待突破,只有提升電池循環壽命才能更好地守衛電動汽車的“環保”Flag。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  筆者毫不猶豫地認為電動汽車的Well-To-Wheel(油井到車輪)效率遠高于汽柴油車,集中發電所排放的污染遠低于汽柴油車自己邊跑邊燒邊排,循環壽命大增的電動汽車必然是未來的環保主力,但現在一定不是。

 
電池壽命的影響因素以及延壽方式

  因為影響因素和解決方案是一一對應的,因此放在同一節里面解答。

1
 
正極材料

  二次電池的配方是決定電池循環壽命的最重要因素。這就如你用紅白兩根蘿卜怎么都整不出佛跳墻一樣,缺了鮑魚、海參、魚唇、杏鮑菇、花菇、墨魚、瑤柱,提鮮全靠腦補滋味?

  電池配方的事,我們先來說正極。現在多數電池都是用正極配方來命名的,來呀店小二,上表格:

主要的二次電池
命名負極電解質正極標稱電壓(V)備注

    Aluminium-ion battery
鋁離子電池

石墨 2.0理想很豐滿
現實很骨感
Dual carbon battery
雙碳電池
鉀離子電解液 耐高溫
充電超快
當超級電容吧
Lead–acid battery
鉛酸電池
硫酸溶液二氧化鉛12電壓穩定
產業成熟
能量密度低
Glass battery
玻璃電池
石墨固態電解質堿金屬 可能是下
一個突破口
Lithium-ion battery
鋰離子電池
石墨
無數種無數種3.2
3.7
21世紀
電池之王
Magnesium-ion battery
鎂離子電池
  1.5
2.0
高能量密度
循環壽命長
Metal–air electrochemical cells
金屬-空氣電池



堿性溶液 細分種類
非常多
Microbial fuel cell
微生物燃料電池
微生物電極 微生物電極 利用污水
或光合作用
發電
Nickel–cadmium battery
鎳鎘電池
 二氧化鎳1.2老式手機電池
Nickel hydrogen battery
鎳氫氣電池
氫氧化鉀
氫氣
催化劑1.25使用氣態氫
高壓電池
循環壽命長
用在衛星上
Nickel metal hydride battery
鎳氫電池
金屬氧化物氫氧化鉀氫氧化鎳1.2鎳鎘進化版
Nickel–iron battery
鎳鐵電池
氫氧化鉀氧化鎳1.2愛迪生發明
價格高
可靠性極高
鐵道車輛使用
Nickel–zinc battery
鎳鋅電池
氫氧化鉀1.65歷史悠久
一致性差
不能過充
Solid-state battery
固態電池
 固態電解質  能量密度高
Potassium-ion battery
鉀離子電池
金屬氧化物固態聚合物碳類 鉀便宜
Rechargeable alkaline battery
可充電堿性電池
堿金屬氫氧化物二氧化錳1.5循環壽命短
20個深度循環
Silicon–air battery
硅空氣電池
 1.2材料便宜環保
能量密度高
暫未實用化
Silver zinc battery
銀鋅電池
堿金屬氫氧化物氧化銀1.55筆記本電腦
助聽器
人造衛星
潛艇與魚雷
Silver-cadmium battery
銀鎘電池
氫氧化鉀氧化銀1.1有毒
電壓太低
Sodium-ion battery
鈉離子電池
無煙煤基 錳基
銅基
 鈉豐度高
替代鉛酸
低速電動車
Sodium–sulfur battery
鈉硫電池
熔融金屬鈉 液態硫
多硫化鈉熔鹽
 高溫電池
制造簡單
電網儲能
字母代碼負極電解質正極標稱電壓(V)樣例

  我們現在經常聊的三元鋰電池,主要有鎳鈷錳酸鋰電池NCM和鎳鈷鋁鋰電池NCA,其中前者正極里頭的錳Mn元素可以提供穩定工作環境,增長循環壽命,但錳不是越多越好的,現在大家都推崇高鎳電池,提升能量密度,鈷的用量比例則是越來越低,畢竟鈷礦貴上天了。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  鋰離子電池里面,磷酸鐵鋰配方就如開掛阿三一樣存在著。在7年前,有幾家汽車媒體曾經給一臺跑了50萬公里的比亞迪e6深圳出租車(標稱續航300km)做過續航測試,測出來的實際續航里程還是挺硬核的。

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

  想了解測試詳情的可以點擊下圖看全文:

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

  如今,磷酸鐵鋰電池的整包循環壽命通常都有2000次甚至更多,有些實驗室的1C循環壽命可以達到3500-5000次,寧德時代在2019年更是發布了可以循環12000次的磷酸鐵鋰儲能電池產品。

  此外,鎳氫配方的循環壽命也非常長,2000次妥妥的,可惜能量密度實在太低了,只能作為HEV或者PHEV的動力電池,單獨驅動BEV的案例不是沒有,但都沒暢銷。

2
 
負極材料

  更加穩定的負極材料可以延長電池壽命。當我們使用大電流快充時,負極晶格面臨過多的活性鋰離子的嵌入動作,應接不暇之余引起電極處的濃差極化現象,導致局部過熱并讓電極材料被破壞。

電池負極材料大綱
 碳素材料石墨天然石墨/人造石墨
軟碳焦炭/中間相碳微球
硬碳碳纖維/PAS
非碳材料鋰金屬 
氮化物 
合金錫基材料/硅基材料
鈦酸鋰 

  正負極的壓實程度也會影響電池壽命。雖然電極壓實可以提升能量密度,但也會破壞正負極材料結構,浸液不充分,并對電極的穩定性和耐用性產生影響。

  此外,一般設計鋰離子電池的時候都會讓負極過量,因為常用的石墨負極一直都是電化學循環的短板,如果負極“過量”不足,活性鋰就會在負極表面積聚成死鋰,也即是尖尖的鋰枝晶,弄破SEI膜之后就等短路自燃吧。

3
 
電解質

  因為活性鋰真的比六一兒童節找你討要禮物的女朋友還活潑,而電解液中的酯類溶劑也很活潑,所以電池穩定性不佳。好在有另一種穩定性比較好的醚類溶劑用來中和,只是這種醚類溶劑不能無限增加比例,雖然它還有消解鋰枝晶沉積的大優勢,但又會產生降低電池循環壽命的副作用,相當于在絕情丹上面撒砒霜,讓你吃也不是,不吃也不是。

  如果是當前常用的液態電解質,就會面臨注液量和保液量的問題。注液量是初始狀態,注液量不足就會削減壽命;保液量要看使用時消耗電解液的速率,保液量不足也有同樣的后果。

  再者,電解液中的痕量水分可以一定程度上保證電芯的性能,只是水分過多會阻礙SEI膜的形成,還會與活性物質反應并破壞電池內部結構,讓它折壽。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  最后說說固態電解質,也就是最近比較熱的固態電池。當前多數研究都沒有表明固態電池有循環壽命的優勢,只是我們一廂情愿認為固態電解質比較“穩固”比較不容易“被消耗”。當前實驗室階段的固態電池可以達到1000次以上循環壽命,最多有吹45000次的(嗐,又是騙風投的PPT)。

4
 
SEI膜的形成與預鋰化

  鋰離子電池首次充電時會形成SEI膜(固體電解質界面),消耗掉大量來自電極材料的鋰離子,雖然降低了內部短路風險、防止溶劑分子的共嵌入并提升循環壽命,但也因此降低了總容量。

  為此,我們可以通過預鋰化對電極材料進行補鋰,抵消SEI膜的鋰離子消耗,從而提高電池的總容量和能量密度。

  換句人話來說就是:茄子太吸油,所以我們炒茄子時多放油……

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  預鋰化技術有很多個方向,其中正極補鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等,負極補鋰可以使用鋰箔補鋰、硅化鋰粉等等,在此不作展開。

5
 
生產工藝

  熒幕形象“傻大黑粗”如AK-47,耐用性能如此強悍,其實離不開精密的生產工藝。那些總是出故障的AK47其實是蘇聯出口技術或者小國直接仿制的二等、三等次品。

  電池也一樣,如果制造工藝到位了,壽命自然會長一大截。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  鋰離子電池的配方與型號各不相同,生產工藝流程大體可以分出三段:

  第一段 電極片的制作:正負極漿料制備、涂覆、干燥碾壓、極片/隔膜分切

  第二段 電芯的制作:卷繞/墊片、外殼焊接、封口、注電解液

  第三段 封裝和檢測:化成(首次小電流充電)、分選、組裝

  在以上的工藝流程中,每一個細節都會直接或間接影響電池的循環壽命。

6
 
成本控制

  一塊簡單的電芯需要受到多達6個維度的因素制約:循環壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區間、安全、成本。

  如果成本管夠,很多問題都能迎刃而解,然而現實中最不可能管夠的必然是成本(狗頭表情),畢竟你造一臺捷達那么小的電動車出來并要價50萬,風投老板會讓你手握十八張醫保卡都不夠用。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  因此,制約電池壽命的因素中必嚴肅考慮成本,而這可以通過增大批量降低單價來實現,然而訂單量并非你想增就想增的。因此整個小節聊的都是正確的廢話,打住吧。

7
 
高溫

  別看電池長得如此木訥,這玩意感情豐富得很,太熱受不了,太冷受不了,充多了不行,放多了不妥,比老佛爺還難服侍。

  高溫對電池壽命是有影響的,高溫會讓電池內部很不舒適,可充電/可放電的量減少,充/放電的速度降低,嚴重的情況還會造成電解質和極片反應,電池壽命會減少。

  這只是慢性自殺,還有一招急性的,這時候我們要提一下電池領域的三個溫度:T1 自生熱起始溫度、T2 熱失控引發溫度、T3熱失控最高溫度。T2是一個很關鍵的溫度,其機理在學界還沒研究透徹(摘自歐陽明高院士演講稿)。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  當然,因為有冷卻系統的存在(風冷或者液冷),且電池換能效率特別高(熱效率高于95%不少,不像內燃機那么弱雞),電池沒那么容易到達T2。

  這時候最魔幻的事情來了:負極的析鋰效應可以大幅度降低T2。

  如果此時正在使用快充,而且是在熱辣辣的環境下使用快充,電池發熱量高且不均勻,內部一不小心達到T2熱失控引發溫度就完犢子了。

8
 
低溫

  同理,電池也很不喜歡低溫,活性物質不活潑了,電解液不開心了,正負電極不積極了,大家都選擇躺平。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  在低溫前提下使用大電流充電,負極剛開始工作就涌入過多活性鋰,此時電池內部活性物質很慵懶,突然硬上完全不合理的KPI,換誰都受不了,脆弱的負極生態被沖得七葷八素,現場混亂,死鋰(鋰枝晶)接連誕生。

9
 
抑制鋰枝晶

  鋰枝晶生成的速度,就是電池死刑判決書下達的時間表。

  既然說到鋰枝晶,我就把自己之前羅列的鋰枝晶生成原因再說一遍吧:大電流充電、充電時的局部過熱、低溫大電流充電、過充電、過放電、鋰離子通量不均勻、負極表面不平整、負極容量不足、充電次數過多

電池研究院:為何汽車需要48V電壓系統?

10
 
充電技巧

  如果充電方式正確,可以一定程度上給電池延壽:

  A、使用正規廠家的充電樁產品,保持電壓電流穩定。由于我國電網穩定性非常強,所以充電出了問題請謹慎甩鍋給國家電網。

  B、可以的話,淺充淺放可以大幅度提升循環次數,只是對于BEV電動汽車而言非常不友好,你不能每次都只用20%-80%之間的60%對吧?豐田給HEV用的鎳氫電池就是利用極為謹慎的淺充淺放,做到10年以上數十萬公里級別的使用壽命。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  C、盡量避免長時間的高SOC涓流充電。大家應該有注意到,現在使用的超級本為了隨時都達到最大續航,多數都不能自主調整充電斷開閾值的,因此長期插電用的超極本,電池衰減都比較嚴重,長期保持高SOC就是問題所在。

  D、未來可以使用L4或L5級別的無人駕駛技術,配合無線充電設備使用,制定淺充淺放的充放電策略,電池壽命會因此延長。

11
 
放電技巧

  除了磷酸鐵鋰配方之外,多數鋰離子電池都很怕過放電,放電深度越接近0%,對電池的損害越大,相當于人體餓太久會折壽那樣。

12
 
長期放置

  電池壽命里面有日歷壽命,多數鋰離子電池都很怕長期SOC過低靜置,活性物質會撲街,電池結構會撲街。

  一旦重新啟用,喚醒電池時必須涓流充電,不然又會引發一波鋰枝晶生長浪潮,折壽啊。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

13
 
機械濫用

  振動/擠壓/碰撞/火燒等,這些字面意思就懂的東西不用展開了。

14
 
梯次利用

  當電池容量降至額定容量的70-80%以下,就不適合用作動力電池了。我國一年回收動力電池的總量達到20萬噸,如果把這些電池全拆解了,將是極大的資源浪費。

  電池環保事業的最大公約數是 —— 先梯次,再拆解。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  在正規的回收渠道中,廢舊動力電池在檢測判斷為滿足梯次利用條件之后,主要被用作以下用途:

  1、大容量儲能裝置:天生大容量的動力電池包可用作組建太陽能發電、風力發電的儲能裝置,成本是全新鋰電池的20%左右(根據住友商事公布的數據),2011年國家電網與比亞迪就有這樣的合作項目。

  2、低速車輛供能:給動力/續航需求較弱的電動車輛使用,比如高爾夫球車、園區通勤車、廠區AGV自動駕駛運輸車等。

  3、基建設施供能:給通訊基站、路燈等裝置當儲能裝備,目前包括北汽新能源長安在內的10余家車企已和中國鐵塔達成合作。

  4、UPS不間斷電源:通用汽車曾用5組雪佛蘭Volt廢舊電池組建家庭備用電源,滿電后可供3-5個美國普通家庭在斷電后再使用2小時。同理,用在企業用途上亦可。

 
結語

  動力電池真的非常不好服侍,吃太飽會折壽,吃太快會折壽,吃太久會折壽,餓太久會折壽,太熱會折壽,太冷會折壽,左右振動會折壽,上下振動會折壽,吃的次數太多會折壽,吃的間隔太長會折壽……

  反正這篇文章重復最多的短語就是電池會折壽。

  嗐!

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  但汽車工業的電氣化之路真的不可逆,而我們不會因噎廢食,解決電池循環壽命的技術瓶頸正在逐個被突破,10年以內我們有望得到性價比高于汽柴油車的電動汽車產品,或者20年之后的動力電池壽命將不輸汽油機。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

實拍解析:新一代保時捷911 Targa全球首發

電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

電池研究院:石墨烯電池是騙局嗎?

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

電池研究院:紅警磁爆線圈與無線充電技術

電池研究院:為何汽車需要48V電壓系統?

電池研究院:讓電池命喪黃泉的鋰枝晶

電池研究院:新能源汽車為何總是自燃?

電池研究院:電池分類與命名大全

電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

為何居委會大媽讓你單獨回收電池?

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

>>點擊查看今日優惠<<

    相關閱讀
    點擊加載更多

    誰瞧了都會心動 試駕星越L 高功四驅版

    CMA平臺的誕生可以說讓吉利品牌在各方面都上升了一個高度,車型也都是各個擁有著不俗產品力,“推出必火”是我對CMA平臺......

    路虎攬勝極光L實拍解析 加長就能賣得好了?

    為了扭轉銷量,攬勝極光L這次為后排加長16cm,此舉能否博得消費者歡心呢?

    又一招降維打擊 傳祺GS4 PLUS能否撼動哈弗H6?

    強勢來襲的傳祺GS4 PLUS能否撼動緊湊級SUV的冠軍哈弗H6?能否為再次為傳祺銷量更上一層樓?

    漢蘭達精英版配置竟然這么低?還值得買嗎?

    新漢蘭達上市后,網上評價褒貶不一,但調侃歸調侃,豐田的產品力就擺在那,那究竟第四代漢蘭達還加不加價?最低配值不值得買?

    廣汽與華為聯合打造的首款SUV 計劃2023年量產

    日前,廣汽集團公告稱,公司董事會同意全資子公司廣汽埃安與華為(AH8車型)項目的實施。

    吉利星越S正式上市 售13.57萬元起

    吉利星越S正式上市,新車將基于CMA架構打造,定位于緊湊型SUV,售價區間為13.57到17.17萬元。

    豐田SUPRA A91-CF特別版售價曝光 約41.6萬人民幣

    據外媒報道,豐田SUPRA A91-CF特別版售價為64275美元(約合41.6萬元人民幣)。

    領克03/03+正式上市 售13.68-22.88萬元

    7月11日,領克03及03+正式上市,新車共推x款車型,官方指導售價為13.68-22.88萬元。

    廣汽豐田賽那實車首次曝光 或11月廣州車展發布

    我們獲取了一組廣汽豐田全新MPV SIENNA(賽那)的實車圖。新車或將于11月舉行的2021廣州車展發布。

    南北大眾傻傻分不清?ID.6 X對比ID.6 CROZZ

    南北大眾ID.6均基于MEB平臺打造,定位中大型純電SUV。那這兩款同門兄弟有什么區別?下面我們來對比一番。

    情趣保健品批发市场