鋰電池通常分兩大類:
鋰金屬電池:鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料,、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料,、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
鋰離子電池:鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料,、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池,。
雖然鋰金屬電池的能量密度高,,理論上能達(dá)到3860瓦/公斤。但是由于其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電,,所以無(wú)法作為反復(fù)使用的動(dòng)力電池,。而鋰離子電池由于具有反復(fù)充電的能力,,被作為主要的動(dòng)力電池發(fā)展。但因?yàn)槠渑浜喜煌脑?,組成的正極材料在各方面性能差異很大,,導(dǎo)致業(yè)內(nèi)對(duì)正極材料路線的紛爭(zhēng)加大。
通常我們說(shuō)得最多的動(dòng)力電池主要有磷酸鐵鋰電池,、錳酸鋰電池,、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池(三元鎳鈷錳)。
以上各類電池都有優(yōu)缺點(diǎn),,大致歸納為:
磷酸鐵鋰:
優(yōu)點(diǎn):壽命長(zhǎng),、充放電倍率大、安全性好,、高溫性好,、元素?zé)o害、成本低,。
缺點(diǎn):能量密度低,、振實(shí)密度低(體積密度)。
三元鋰:
優(yōu)點(diǎn):能量密度高,、振實(shí)密度高,。
缺點(diǎn):安全性差、耐高溫性差,、壽命差,、大功率放電差、元素有毒(三元鋰電池大功率充放電后溫度急劇升高,,高溫后釋放氧氣極容易燃燒),。
錳酸鋰:
優(yōu)點(diǎn):振實(shí)密度高、成本低,。
缺點(diǎn):耐高溫性差,,錳酸鋰長(zhǎng)時(shí)間使用后溫度急劇升高,電池壽命衰減嚴(yán)重(比如日產(chǎn)電動(dòng)車(chē)LEAF),。
鈷酸鋰:
通常用于3C產(chǎn)品,,安全性極差,不適合做動(dòng)力電池,。
理論上,,我們需要的電池應(yīng)該是能量密度高、體積密度高,、安全性好,、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)毒無(wú)害,、可大功率充放電,,聚所有優(yōu)點(diǎn)為一體而且低成本。但目前并不存在這樣的電池,,那么在不同種類電池的優(yōu)缺點(diǎn)中就需要取舍,。而且,不同的電動(dòng)車(chē)對(duì)電池的需求點(diǎn)也是不同的,,因此只有立足于長(zhǎng)遠(yuǎn)地對(duì)電動(dòng)汽車(chē)作出判斷,,才能有利于我們正確地判斷電池路線的選擇。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)越性
這里就需要回溯前兩篇的論述,,我們分析了未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)該以小里程,、快充電的電動(dòng)汽車(chē)為主。而目前家用車(chē)需要長(zhǎng)續(xù)航的雙?;旌蟿?dòng)力,,以及公交市場(chǎng)的大續(xù)航純電汽車(chē)。那么這樣的車(chē)需要什么樣的電池,?
一,、安全
首先安全是汽車(chē)必備的前提。汽車(chē)不同于手機(jī)和電腦,,汽車(chē)在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素,,比如車(chē)禍造成的電池?cái)D壓和撞擊。而任何一個(gè)不利的因素,,都有可能造車(chē)車(chē)毀人亡,。我們可以看到一些老年代步車(chē)使用劣質(zhì)的鉛酸電池,完全沒(méi)有安全保障,,電池自燃,、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件,,雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計(jì)并沒(méi)有出現(xiàn)人員傷亡,。但同時(shí)也要看到,這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故,,碰撞本身對(duì)車(chē)和人并無(wú)傷害,,而電池卻著火了,那么如果是更嚴(yán)重的事故呢,?
二,、高倍率放電壽命
普通汽車(chē)使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年,一輛電動(dòng)汽車(chē)的電池,,10年至少需要3000次的循環(huán)壽命,。電池作為比較貴的部件,壽命能否與車(chē)等同是非常重要的,,既要保證車(chē)輛的性能又要保證車(chē)主的利益,,這樣才能利于市場(chǎng)的推動(dòng)。目前世界各車(chē)企的電動(dòng)汽車(chē),,只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質(zhì)保,。
電池的壽命也就是循環(huán)壽命,并非簡(jiǎn)單的電池參數(shù)給出的數(shù)字,。電池的循環(huán)壽命和電池的循環(huán)狀態(tài)是息息相關(guān)的,,比如放電倍率、充電倍率,、溫度等,。通常電池實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得出的循環(huán)壽命,是以0.3C恒定的充放電倍率,,在20度恒定最佳溫度下得到的,。但是在實(shí)際用車(chē)過(guò)程中,倍率和溫度都是非恒定的,。這也就是為什么通常無(wú)論是筆記本,、手機(jī),還是電瓶車(chē)的電池,,實(shí)際使用中的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠商給出的數(shù)據(jù)的原因,。而中小里程純電以及長(zhǎng)續(xù)航雙模混合動(dòng)力車(chē),,因?yàn)樗鶐У碾姵乇容^少,,對(duì)其放電的要求就會(huì)更高,對(duì)壽命的影響就會(huì)更大,。
比如A123的磷酸鐵鋰電池,,通常循環(huán)壽命可以到3000次以上。但是,,A123的磷酸鐵鋰航模電池,,以10C的充電倍率、5C的放電倍率使用,,實(shí)驗(yàn)室中的壽命縮短到只有600次,,而真正實(shí)際使用中只有400次左右,可見(jiàn)放電倍率對(duì)壽命的影響,。
再以比亞迪“秦”為例,,只有13KWH的電池驅(qū)動(dòng)峰值功率110KW的電機(jī)??梢杂?jì)算出,,當(dāng)“秦”滿電時(shí)其最大放電倍率高達(dá)8.4C,。尤其是當(dāng)“秦”只有50%電量時(shí),其最大放電倍率可以達(dá)到18C,。如果電量再低放電倍率將超過(guò)25C,,這會(huì)極大地縮短電池的壽命。
再看P85度電的特斯拉,,最大功率310KW的電機(jī),,看起來(lái)很龐大,其實(shí)電池放電倍率不過(guò)4C,。在只有30%的電量時(shí),,最大放電倍率也不過(guò)10C。而且特斯拉的大容量電池,,在極大程度上避免電池處于大功率的放電之中,。
通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)比,就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優(yōu)越性,。
三,、溫度適應(yīng)性
極寒對(duì)電池的影響,主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少,;極熱對(duì)電池的影響,,主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降,。
極寒對(duì)于電池的影響相對(duì)較輕,,因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹阆?0度以下使用,而且在電池的放電過(guò)程中本身就會(huì)產(chǎn)生熱量,,但能耗的增加以及電量的減少不可避免,。
極寒對(duì)純電車(chē)的影響和對(duì)雙模混合動(dòng)力車(chē)又不一樣,。純電動(dòng)車(chē)因?yàn)闆](méi)有其他動(dòng)力來(lái)源,,在極寒情況下要達(dá)到合適的溫度,必須依靠電池放電加熱,,那么對(duì)于能耗以及續(xù)航里程就會(huì)有很大影響,。特斯拉在冬天無(wú)論是百公里能耗以及續(xù)航里程都和平時(shí)有顯著不同。
對(duì)于雙?;旌蟿?dòng)力影響就較弱,。因?yàn)榛靹?dòng)有發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動(dòng),,當(dāng)時(shí)夜間氣溫在零下15至20度,,在早晨極寒的情況下啟動(dòng)車(chē)輛,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到HEV模式,,發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào),,迅速提高車(chē)內(nèi)溫度,,當(dāng)溫度提高以后再切換回EV模式。
極熱對(duì)純電和混動(dòng)影響都很大,,比如電池本身大功率放電溫度就會(huì)升高,。以普通鋰離子電池為例,20C的放電,,電池的溫度可以提升到接近50度。這么高的溫度,,不僅對(duì)電池的壽命有影響,,更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環(huán)境下會(huì)釋放氧氣,,而氧氣是易燃物體,。特斯拉通過(guò)循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出,。但是當(dāng)遇到撞擊時(shí)還是難免起火,。
四、能量密度
能量密度,,顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量,。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo),但是在筆者的分析體系里,,能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要,。
原因有兩個(gè):
1.能量密度必須結(jié)合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實(shí)不高,。但是因?yàn)槠浒踩€(wěn)定耐高溫等特點(diǎn),,以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡(jiǎn)單,不需要太多保護(hù)輔助設(shè)備,。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高,,但由于其安全性差不耐高溫,所以必須結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備,,而這些設(shè)備都加大了汽車(chē)的重量,。有報(bào)道稱在發(fā)生連續(xù)燃燒事故后,特斯拉又準(zhǔn)備加厚電池保護(hù)設(shè)備,,這就將三元電池的能量密度優(yōu)勢(shì)消弱了,。
2.重量對(duì)于汽車(chē)的影響不大,特別是對(duì)于未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的主流趨勢(shì)混合動(dòng)力以及小里程純電動(dòng)汽車(chē),。我們可以設(shè)想,,以130千瓦時(shí)/公斤能量密度和200千瓦時(shí)/公斤能量密度的電池做一個(gè)對(duì)比。即使是最大的80度總電量,,兩種電池的重量差不過(guò)200KG,。
這對(duì)于一輛接近2噸的汽車(chē)影響很低,。
因此筆者認(rèn)為,盡管電池的能量密度自然是越大越好,,但并不必要刻意追求最大,。特別是能量密度越大越不穩(wěn)定,這是基本常識(shí),。只要達(dá)到夠用的程度,,能量密度不是太重要。
五,、成本
成本非常好理解,,要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢(shì),這在本系列第一篇也已經(jīng)計(jì)算過(guò),。小里程純電或者混動(dòng)電動(dòng)車(chē),,一方面需要減少車(chē)載電池量節(jié)約電芯成本,另一方面需要降低電池包+保護(hù)設(shè)備的成本,。因此我們發(fā)現(xiàn),,特斯拉的電芯成本雖然較低,但是整體成本依然居高不下,。
通過(guò)以上論述我們知道,,不同鋰離子電池都有天然優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但重要的是,,如何對(duì)未來(lái)電動(dòng)車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)要素排序,,這樣才能選出適合潮流的電池。綜上,,從安全,、壽命、放電能力,、溫度適應(yīng),、能量密度、成本等因素綜合考慮,,筆者認(rèn)為磷酸鐵鋰電池最適合未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的發(fā)展方向,。