汽车锂电:打破藩篱,制胜未来

在过去的几年里,尤其是中国作为锂电池的“主 战场”,如火如荼的新能源电动汽车实现了爆发式的增长, 这正是中国抢占国际绿色能源产业,实现“弯道超车”的重 要方向。

尽管当前存在经济危机,但全球汽车行业仍在努力减小其对环境的影响,并将汽车机动性转变为一种可持续性交通方式。在过去的几年里,尤其是中国作为锂电池的主战场,如火如荼的新能源电动汽车实现了爆发式的增长,这正是中国抢占国际绿色能源产业,实现弯道超车的重要方向。


然而事物的发展往往并没有如此简单,为了满足基本市场标准,锂电池必须克服哪些技术难题?随着电池技术的成熟,其成本会如何变化?在不断变化的市场中,锂电生产企业应如何在行业中维持竞争力?目前来看,动力电池打破六大技术束缚是关键。

汽车锂电价值链 

一般来说,电动汽车电池的价值链包括7个部分:部件生产(包括原材料);电池生产;模块生产;将模块组装到电池组中(包括电子控制单元和冷却系统);将电池组安装到车辆中;在车辆寿命期内使用;再利用及回收利用。其中前面4个部分,构成了锂电行业的主要原始设备制造商的制造过程。

锂电池由一系列电池化学物质组成,采用多种阳极与阴极材料的组合。每种组合在安全性、电池性能、成本和其他参数方面都有着明显优缺点。汽车类应用中最突出的技术是锂镍钴铝(NCA)、锂镍锰钴(NMC)、锂锰尖晶石(LMO)、钛酸锂(LTO)和磷酸铁锂(LFP)。目前在消费类应用中最主流的技术是锂钴氧化物(LCO),但由于其本身的安全风险,通常被认为不适合汽车类应用。所有的汽车电池化学物质需要精密的监控、平衡与冷却系统来控制能量的化学释放,防止热失控,同时确保电池的合理寿命。

当前锂电池的技术创新正在试图打破束缚电池技术发展的一些基本特性。就技术而言可以从6个方面比较不同的锂离子技术:安全性;寿命(用充放电循环次数和电池总寿命来衡量);性能(低温下的峰值功率、充电状态测量和热管理);比能量(每千克电池可储存多少能量);比功率(每千克电池可储存多少功率);充电时间。而从商业角度来讲,高成本仍然是主要障碍。随着市场规模的扩大,通过规模与经验效应来降低制造成本将是一大挑战。

如今还没有一项技术能在所有6个方面占优。选择一种在某方面性能优化的技术势必需要在其他方面妥协。例如,NCA技术是一种超高性能的解决方案,但存在安全风险,而LFP技术的电池安全性更高,但比能量较低。所有原始设备制造商和供应商都必须在6个关键性能参数之间权衡利弊。

技术挑战

(1)安全性:是电动汽车电池的最重要指标。作为人们日常生活息息相关的交通工具,对汽车动力电池的高标准高质量以及安全性要求显然容不得半点忽视。即使是一次孤立的电池起火事件也可能导致公众舆论反对电动汽车,然后导致行业发展停滞数月或数年。在锂电池生产企业看来,既要满足迅猛扩张的新能源车辆的产能需求,又要高度把控电池质量和安全性。

从电池技术本身来看,该领域的重要关注点是避免热失控——这是一种正反馈循环,电池内触发的化学反应加剧热释放,最终导致起火。热失控可能由电池过充、放电率过高或短路引起。易发生热失控的化学物质包括NCANMCLMO,它们必须与能够控制电池或监测其状态的系统级安全措施相结合。


而另一方面从电池生产商而言,极高的电池质量一致性要求,让电池行业必须进行全生命周期的产品追踪溯源。201610月,中国工信部装备工业司对国家推荐性标准《汽车用动力电池编码》开始征求意见,该标准将对汽车用动力电池的生产、销售、使用、维护、回收、梯级利用、再生利用实施全生命周期的溯源与管理。也就是说,一旦出现问题,每一块动力电池必须可追溯到哪台设备、哪个时间出现的质量问题。

对此,以高度自动化智能装备产线和数据可追溯性为核心特征的数字化工厂建设开始成为电池生产企业竞相追逐的目标。这一切的基础则是动力电池智能化的生产设备——运行稳定而可靠,高速而灵活,数据采集便捷而高效。

(2)寿命:测量电池寿命有两种方法:循环稳定性和总寿命。循环稳定性是指电池在完全充电后容量减少到原始容量的80%时所经历的完全充电、放电次数。总寿命是指电池的预期使用年限。如今的电池确实满足了电动汽车在试验条件下的循环稳定性要求。然而,总寿命仍然是一个障碍,部分原因是较高的环境温度会加速电池老化。目前还不清楚各种电池在特定汽车温度条件下的老化速度。

为了应对这些不确定性,制造商正在设计尺寸足够大的电池以满足电动汽车寿命期内的储能需求。大多数汽车制造商都希望拥有10年的电池寿命,这包括了预期的电池性能下降。例如,某个电动汽车实际需要一个12千瓦时(kWh)的电池,但最后很可能选择一个20千瓦时的电池,这样经过10年其性能下降40%后仍有足够容量来维持正常运行。当然,这种方法会增加电池尺寸、重量和成本,对电动汽车的销售产生不利影响。

汽车制造商也可考虑其他选择。例如,他们可能会选择安装寿命较短的小型电池,然后每五至七年更换一次,这可以包含在保修计划之内。借助这种方法,他们就能在初期使用小型电池,然后随着技术的不断进步对其进行升级。小型城市汽车制造商Think以及电池硬件初创供应商Better Place提出的电池租赁商业模式也让寿命较短的电池成为可选方案。这些车型将电池寿命与车辆寿命脱钩,同时降低了初期电池的成本。


3性能:车主对电动汽车的期望是他们能在酷热的夏季和零下的冬季驾驶电动汽车,这对工程设计是一个重大挑战。我们可以针对高温或低温优化电池,但很难设计出能在各种温度下工作而不导致性能下降的电池。一种解决方案是让汽车制造商根据特定气候对电池进行评级。例如,在寒冷气候下依赖加热和绝缘材料来优化电池以维持性能和耐久性,而针对炎热气候设计的电池将使用支持高温存储的电解液和材料。这两种电池之间的设计差异比如今的寒冷天气与温暖天气轮胎之间的区别更为明显。但该方法能制造出功能更强的电池,尽管其使用条件严苛。然而,只能在特定气候下使用的电池会阻碍车辆跨区域移动,因此汽车制造商更倾向于选择性能较差或总体系统成本更高的电池以挣脱此类限制。

4比能量和比功率:电池的比能量即每千克重量的电池储存能量的能力,这仅仅是汽油比能量的1%。除非有重大突破,否则电池将继续把电动汽车两次充电间的行驶里程限定在250300公里(约160190英里)。如今电池的额定能量密度可达到每千克140170瓦时(Wh/kg),而汽油的额定能量密度为13000瓦时/千克。最终电池组的比能量通常比预期的低30%40%,即80120Wh/kg。即使其能量密度在未来十年翻一番,电池组仍然只能储存大约200 Wh/kg乘以其重量的能量。假设电池重量约为250千克(约占如今小型汽车总重量的20%25%),那么将能量密度翻倍后,电动汽车的行驶里程将达到300公里(约190英里)。

如今的电池技术已经较为成功地解决了比功率(即每千克质量的电池能提供的电量)问题。比功率在混合动力汽车中尤为重要,因为混合动力汽车能快速释放少部分能量。在电动汽车中,比功率不如比能量重要。制造商已经创建了电动汽车电池的设计参数以优化平衡比能量与比功率。目前,电池的比功率性能已经等于或超过ICE。因此,研究人员正集中精力提高指定功率下的电池比能量。

(5)充电时间:充电时间过长带来了另一个技术挑战以及必须解决的商业性难题。将一个15千瓦时的电池插到标准的120伏插座上充电需要将近10个小时。采用先进充电终端的快速充电方法能显著缩短充电时间。例如,采用增强电流(40安培)的240伏插座充电需要两个小时,而采用商用三相充电站充电只需要20分钟。这些充电系统需要额外成本和重量,因为需要在车上安装强化的冷却系统。

对中国新能源汽车制造商及锂电池生产商而言,商业成本是技术束缚之上更要考量的限制因素。事实上,从2017年开始,中国新能源车补贴连年退坡,而且退坡力度一年超过一年,直至2020年全面取消补贴政策。根据2019年最新的中国财政部补贴政策,2019年补贴标准与2018年相比平均退坡约50%、更强调安全性一致性,没有再推高能量密度上限、地方补贴明令取消……。另一方面,由于市场竞争压力,新能源汽车将销售价格提高、补贴退坡部分让消费者来买单的可能性不大,制造商们唯有致力于大幅度降低生产成本。那么问题来了,在现有技术成本束缚下,锂电生产如何确保在维持甚至提升现有工艺指标和参数的同时达到降低成本的目标?从高度自动化的设备到智能制造产线乃至整个数字化工厂的转型升级,无疑将成为当前锂电行业企业打破藩篱,化茧成蝶的未来之道。

 

 

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