電池研究院:容量重要還是充電速度重要?

2021-09-04 07:16:13 作者:黃恒樂

電池研究院:容量重要還是充電速度重要?

 
電池技術的瓶頸在哪里?

  當前我們正在用的二次電池(可充電電池),基本都是鋰離子電池。

  為什么呢?

  鋰離子很活潑,非常適合在正極與負極之間左右橫跳,單位體積與單位重量的鋰離子電池能存儲電的量都遠高于其他配方。

………………………………………………

  真的不是人類不夠努力,而是研發電池實在太難了,你花60塊可以買到“充電器 + 4顆5號 + 4顆7號”的GP充電電池,以為只是很普通的品罷了,其他這已經融匯了人類200多年的電池研發精髓……

  下表是當前主流二次電池的列表,能把人給繞暈,鋰離子電池只是其中一個分類,而它的貢獻是讓電動車有了顛覆燃油車江湖的潛力

二次電池列表
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
Flow battery
液流電池
    需要建設
全產業鏈
才能運作
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
Molten-salt battery
熔鹽電池
 鹽類熔融體  高溫電池
電網級儲能
儲能成本低
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
Organic radical battery
有機自由基電池
    塑料電池?
不含重金屬
可制薄膜電池
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

  在1991年索尼量產鋰離子電池之前,世界上所有配方的汽車動力電池之性能,四舍五入就是完全沒用的工業垃圾,到頂了只能用作垃圾分類專車使使。

電池研究院:容量重要還是充電速度重要?

  經過三十年的發展,我們現在已經清楚了鋰離子電池有多難研發,6大因素互相制衡博弈,讓電池技術一直無法突破瓶頸:

電池研究院:容量重要還是充電速度重要?

  1、成本:最重要的一個環節,拋開成本聊電池都是耍流氓。

  2、能量密度:直接關系到容量,長續航車必須用上高能量密度電池。

  3、功率密度:涉及充電與放電功率,前者對應充電速度,后者對應性能輸出。

  4、循環壽命:電池壽命受到很多因素影響,文后有詳細鏈接,保證你不想看完……

  5、安全:鋰離子電池有鋰枝晶,而且喜歡熱失控。

  6、工作溫度區間:電池怕熱又怕冷,超級嬌貴。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  對于消費者而言,成本是一個控制變量,貴就是好,好就是貴(寶沃型狗頭),能量密度(強關聯容量)與功率密度(強關聯充電速度)則是關系我們消費者用車體驗的兩大顯性因素,循環壽命、安全、工作溫度區間是幾乎不能被消費者左右的隱性因素。

  因此,今天我們的文章主題就是——同一個價位之下(成本變量已被控制),你選擇大容量長續航電池,還是高性能快充電池?

 
能量密度與電池能量

  我們先做一點基礎的科普:

  A、能量密度指的是在單位重量或單位體積內能儲藏能量的多寡,電池的重量能量密度用Wh/kg做單位(常用),電池的空間能量密度用Wh/L做單位(不常用)。

  B、我們平時不怎么聊單體電芯的能量密度,要聊就是要成組之后的電池整包能量密度,這就包含了各種結構件、冷卻系統、加熱系統、電控系統等配套系統。為什么只聊這個定義呢?國家補貼只看整包密度,沒人想了解單體電芯。

  C、單體電芯的能量密度越高,我們越容易在更小體積內,裝入更低重量的同等容量電池包。但這只是“越容易”,電芯能量密度與整包能量密度并非線性相關,如果配套系統占比太高,安全性會更高,但續航就不見漲了。

  D、“容量”和“能量”是兩回事,平時我們買充電寶看的是容量,比如容量為10000mAh一個,電壓是3.7V,兩者相乘就是370000mWh=370Wh=0.37kWh,也就是0.37度電的能量,所以平時我們說的動力電池容量其實是動力電池能量才對。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  好了,接下來考慮的是怎么提升電池整包能量密度和電池能量(容量)的問題了,當前有幾種主流方法,我沒辦法窮舉,就說一些重點的:

1
 
高鎳正極

  當前鋰離子電池的研發方向是減少(22萬/噸,增加層狀結構和循環壽命)、增加(3萬/噸,增加能量密度)。

  從下表可知,在NCM三鋰配方中,NCM811正極用到最少的鈷和最多的鎳。

每1噸電池的各類型金屬重量(噸)
 鋰 Li鈷 Co鎳 Ni錳 Mn鋁 Al
磷酸鐵鋰 LiFePO40.016    
錳酸鋰 LiMn2O40.029  0.224 
三元鋰 NCM1110.0240.0690.0690.064 
三元鋰 NCM5230.0280.0470.1190.066 
三元鋰 NCM6220.0300.0510.1520.047 
三元鋰 NCM8110.0330.0280.2210.026 
鎳鈷鋁酸鋰 LiNiCoAlO20.0300.0380.204 0.006

  超高鎳正極,意味著配方可能趨向于NCM9/0.5/0.5,可以更環保、更廉價、更高能量密度,但循環壽命更短穩定性/安全性會變差,需要更多的輔助技術去確保電池不會自燃,讓液態電解質固化也是其中一種方案。

2
 
金屬鋰負極

  金屬鋰負極一直都只能做成一次電池來使用,這么一用已經數十年了,用作二次電池的安全問題依然沒解決。

  實際上金屬鋰的比容量高達3860mAh/g,用來當負極是很理想的,用作負極可以大大提升比能量,但鋰枝晶生長的問題一直沒能解決,負極表面的鋰很容易吸引更多死鋰來構成新的鋰枝晶,電池的循環壽命也非常弱雞。

  下面有兩項研究可以讀讀,但也僅限于讀一下,我自己還沒有完全參透:

  韓國陽大學Dongsoo Lee和Ungyu Paik教授在其研究中提出:“通過輥壓將銅箔表面的Cu3N納米線轉移到金屬Li負極的表面,隨后Cu3N納米線與金屬鋰發生反應,生成Li3N@Cu納米線,而Li3N具有高離子電導率,較低的電子電導率和良好的電化學穩定性,因此能夠有效的抑制鋰枝晶的生長,同時金屬鋰表面形成的三維立體結構界面,也能夠有效地降低電流密度,使得金屬鋰均勻沉積。”

………………………………………………

  賓夕法尼亞州立大學機械工程教授兼該項目首席研究員王東海在其研究中提出:“在鋰金屬界面上使用聚合物。該材料是一個多孔海綿,不僅可以讓鋰離子轉移,還能抑制鋰離子變質,即使在低溫和快速充電的條件下,也可讓金屬鍍層不生長枝晶。”

………………………………………………

  這種“三維交連聚合物海綿”的機理是利用三維結構為鋰離子提供足夠強度的框架結構與足夠的表面積/空間,讓負極更輕松地容納更多的鋰離子。

3
 
硅碳負極

  古迪納夫博士研發了當今鋰離子電池領域的三大正極材料,目前業界的負極材料多用碳素材料(好消息是中國石墨儲量占全球70%),非碳負極材料則有四大系列,包括硅基材料。

  硅的理論容量超過石墨10倍以上,造成電池的話有望提升大約50%的能量密度。

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 

  此前的學者都不知道硅那么好用嗎?都知道,只是解決不了硅基材料體積膨脹的問題。

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

  碳素材料(石墨)與非碳材料(硅)的充放電機理不同,石墨是鋰的嵌入和脫嵌,硅則是合金化反應,硅的脫嵌鋰反應會令其體積膨脹3倍,電池內部結構破壞之后,就沒后文了。

  求同存異可以嗎?還真可以。使用Si/C復合體系(硅碳負極),Si硅顆粒這種活性物質可大大提升鋰的容量,C碳能改善Si的導電性、緩沖Si充放電體積變化、防止Si顆粒充放電時團聚。

  類比一下,Si就是脆弱但攻擊力極強的大法師,C就是承受各種物理攻擊/魔法攻擊的肉盾。

4
 
固態電解質

  NIO Day 2020讓固態電池重回公眾視野,但這次蔚來發布的“固態電池”并非真固態,嚴謹一點來說是“準固態電池”(液態電解質少于50%),依然需要使用電解液和隔膜。

寧德時代或為蔚來150kWh電池供應商 2022年第四季度交付

  什么才是固態電池(Solid-State Battery,SSB)呢?電極與電解液全是固態的,不存在任何氣態和液態的流體,便是。

  蔚來“固態”電池包實際上并未做到全固態,但在同樣規格的電池包體積中完成360Wh/kg的整包能量密度和150kWh的整包容量,不得不說“抓得到老鼠的就是好貓”,你管他包裝上寫100%芒果汁還是芒果風味飲品。

  固態電解質電池的主要優勢在于:能量密度高,目前實驗室樣品可以達到300-400Wh/kg(這可是整包密度);可使用金屬鋰負極,提供高比容量;安全性能更高,不會刺破隔膜造成短路,不會脹包,不會漏液,不會揮發;碰撞受損后,電池安全性更高;溫度適應性好(部分配方),可以在-25℃到60℃之間工作;循環壽命1000次以上,最多有吹45000次的(很可能是PPT概念);自放電率很低,靜置虧電速度慢。

  主要劣勢有:成本過高,技術不成熟,工藝很復雜,產業鏈上下游不完整,暫時不適合大規模生產;固態電解質的界面接觸性差(固體-固體),電導率偏低,高倍率大電流一來就捉襟見肘了,比較難實現快速充電,功率密度有限;運用金屬鋰負極的同時會產生死鋰、鋰枝晶生長的問題;氧化物堅硬,制作成電解質片容易脆裂。

5
 
增大單體尺寸

  下表我列了很多鋰離子二次電池的尺寸,最出名的要數18650,因為當時已有成熟的產業鏈(就是筆記本電芯同款),所以特斯拉可以用很短時間把高性能電動汽車造出來,但18650的單體尺寸太小了,所以特斯拉現在采用了21700電池來減少電池包內的電芯總數,精簡電控。

圓柱電池(鋰離子)尺寸列表
型號別稱外直徑(mm)長度(mm)典型容量(mAh)典型用處
07540 7.54080-150電子煙
08570 8.570280電子煙
101801⁄3 AAA101890小型手電筒
102802⁄3 AAA1028200手電筒
10440AAA1044250-350 
14250​1⁄2 AA1425300手電筒
14430 1443400-600剃須刀
14500AA1450700-1000LED手電筒
14650 1465940-1200 
15270RCR21527450-600替代CR2
16340RCR123A1634550-800替代CR123A
16650 16651600-2500窄版18650
17500A1750830-1200CR123A的1.5倍長
17650 17651200-1600 
17670 17671250-1600CR123A的2.0倍長
18350 1835700-1200 
18490 1849800-1400 
18500 18501100-2040AA加長版
18650168A, 186518651500-3500萬能電池
20700 20702800-4100特斯拉
21700 21703000-5000特斯拉
25500 25502500-5500 
26500C2650  
26650 26652400-5750 
32600D32603000-6100 
32650 3267.7500-6500LED燈具
3812038120s381208000-10000電動車/儲能
3814038140s3814012000 
4015240152s4015215000 
46800無極耳電池4680≈20000特斯拉
型號別稱外直徑(mm)長度(mm)典型容量(mAh)用處

  在上一年底的特斯拉電池日上,馬斯克宣布了巨型的46800無極耳電池,預計單體容量能往著20000mAh甚至更高的方向去。

電池研究院:電池分類與命名大全

  未來,圓柱型鋰離子二次電池依然會是動力電池領域的主心骨,單體尺寸會越來越大,這樣子單體的典型容量可以大大增加,能量密度也隨之增加,皮薄餡厚就是這么個簡單的幾何學道理。

6
 
改良電池包結構

  改良整包結構有很多方法,磷酸鐵鋰電池當前就用上了CTP(Cell to Pack)技術,直接省去了模組和一大堆控制模塊,把長條形的“刀片電池”(單體Cell)直接安裝到電池包(整包Pack)當中,電池包體積利用率可以提升20%左右,整包能量密度與整車續航能力也大幅度提升20%-30%。

電池研究院:讓人又愛又恨的磷酸鐵鋰

  磷酸鐵鋰敢用CTP技術的前提是單體電池本身的安全性能遠遠優于三元鋰配方,所以省去了模組級別的結構保護也不會有大問題,不過單體電池本身的框架強度需要加強。

  此外,我們也可以通過新型的材料或者新技術進一步集成電池的冷卻系統、加熱系統、電控系統,把配套系統的重量和體積省下來了,整包能量密度自然上升。

7
 
電池與車體一體化設計

  在設計之初就將電池完全融入車體當中,而不是組裝完車體之后再把另一個獨立零部件“高壓電池包”裝進去車體下方。

  這種一體化設計可以大幅度降低配套系統的重量和體積,提升整包能量密度和整包能量。

 
基建設施與充電速度

  關于充電速度的知識點,我在此前的文章里面詳細聊過,在這里點到即止。

電池研究院:電池的長壽秘訣是什么?

  簡單描述一下關于提升充電速度的幾個核心方向:

1
 
電網負載潛力

  電動汽車快充的確也當前的城市電網負載提出了極高的要求,筆者就曾經嘗試咨詢小區物業如何給我自己的停車位加裝7kW充電樁,物業給出的結論是“不愿意”。雖然7kW僅僅相當于兩臺空調,但每個小區的電網容量是很有限的,如果開放給10戶電動汽車用戶安裝還能勉強支撐,但若增加到30戶,那小區就會跳閘。

  加建配電房與各種配電設備的錢,從誰手里掏?再多思考一步,先安裝的用戶會事后掏錢給后安裝的用戶均攤整體成本嗎?這都是暫時無解的問題。

  可見,增加電網負載潛力不僅是技術問題,還是成本問題,還有一部分是消防安全管理的問題。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

2
 
充電樁功率

  目前國網在各大快充站基本都鋪上了120kW快充樁,實際充電功率能保持在60kW以上就很不錯了,一樁兩槍的情況下還會被分走很大一部分功率。

  瑞士ABB在2019年也發布了350kW直流超級快充,宣稱可以在8分鐘內補充200km續航里程,并可以兼容400V和800V兩套電壓系統,還在能-35℃到50℃之間寬闊的溫度區間正常工作。

  問題是,350kW直流超級快充的成本實在太高了,比電動車本身還貴。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

3
 
電池本身

  電池配方是否支持超級快充(比如神乎其技的石墨烯),電控水平能否支持超級快充,散熱能力是否支持超級快充,電池損耗速度是否在客戶承受范圍之內,這些都是必須面對的問題。

4
 
換電站

  Bug一樣存在的換電站,其實并非蔚來一家在造,一些運營車輛也在使用,比如北京運營的北汽新能源換電版本的出租車。

電池研究院:快速充電的極限在哪里?

  換電站的邏輯是在電池快充技術和能量密度無法得到根本突破的時期內,轉移充電時間和空間,像換彈夾一樣把新的電池包給車子裝上。

  雖然一直被業界詬病(仿佛化的是噴子的錢那樣),但不得不承認換電是當前最快的電動汽車獲取電能之方式。

 
成本有限的前提下,何為最大公約數?

  基于上述兩個環節的論述,我們可以看到電池能量(容量)的增加與充電速度的加快,都面臨著非常高的門檻。

  既想大電池長續航,又想十來分鐘完成前半段SOC的快充,在當前成本條件下(而非技術條件下)完全是奢想。

  我們必須在成本有限的前提下,思考如何得出最大公約數,讓用戶使用電動汽車的時候不再遭罪,至少不要遭以前那么多的罪。

1
 
電池性能的偏向

  偏向于高能量密度的電池,充放電性能并不理想。

  偏向于充放電高性能的電池,能量密度并不理想。

  面對這一對矛盾,有車企和電池企業提出了“混合電池”的技術方案,將高能量密度電池和高功率電池混搭到同一個電池包里面,這又給電控帶來了非常嚴峻的挑戰。大眾集團之前試過了,反正就是沒做成。

2
 
純高容量走向并不環保

  續航不是越長越好,電池包的能量(容量)不是越多越好。

  如果我們使用過多電量用于運輸電池本身,就會造成大量的能源浪費。

  這就相當于一個人出門徒步但背著14天的干糧,還沒到半路就先把自己累死了。

3
 
純充放性能走向并不好用

  最近有個很好的例子就是威馬W6冠軍版,用了250kg的定制版鋰離子電池,可以達到1400kW瞬時放電功率,但只能用來跑01加速,因為放電倍率達到20C,一下子全放完了,且本身能量只有25kWh,根本無暇關照巡航。

  只關注快充的電池就是超級電容而已,但超級電容汽車只適用于固定的商用線路,每站都停靠充電,電量足夠用到下一站。

  如今快充技術不斷提升,但無法無限制提升,因為我們要考慮到電池的性能均衡,成本有限的前提下很難優先照顧充放電性能。

4
 
實際續航能力到達500km才有安全感

  當前市場,對快充的宣傳不如長續航的宣傳有效。

  因為快充的服務費很高,自家慢充還能利用波谷電價充半價電,自家慢充的價格可以低至公共充電樁快充價格的20%左右。

  很多用戶寧愿選長續航,因為這是屬于自己的產品力;而不需要超級快充功能,若是公共快充樁的功率跟不上的話,這個優勢等于沒有

動力電池冷卻失效會炸嗎?

5
 
關鍵結論

  同等成本下,電動汽車用戶更愿意選擇長續航技能,而不是快充技能。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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