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动力电池:增容困难 减重可行

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-08-03  来源: 中国汽车报  作者:鑫椤资讯
核心提示:目前,我国新能源汽车市场上的纯电动汽车搭载的动力电池,大多数为三元锂材料或磷酸铁锂材料电池。尽管相比铅酸和镍氢电池,能量密度已经有了极大的提高,但是依然难以破解消费者的里程焦虑困扰。
   目前,我国新能源汽车市场上的纯电动汽车搭载的动力电池,大多数为三元锂材料或磷酸铁锂材料电池。尽管相比铅酸和镍氢电池,能量密度已经有了极大的提高,但是依然难以破解消费者的里程焦虑困扰。毫无疑问,现阶段阻碍新能源汽车产业化的主要因素是动力电池技术瓶颈。但是,现阶段电池增容存在困难,减重是一条可行的办法。 

  
锂离子电池密度还能提高吗 

  现在,无论是三元锂材料电池还是磷酸铁
锂电池,基本由四大关键部分组成,即正极、负极、电解液和膜。一位不愿透露姓名的电池研究专家向记者表示,现在基于这四种组成部分的锂电池,再提高能量密度并做到产业化应用,可能性不大。事实上,2020年动力电池模块的能量密度达到300Wh/kg,现在距离2020年还有5年时间,但可以产业化的下一代动力电池还没有浮出水面。 

  上海市机动车检测中心副主任缪文泉认为,提高动力电池比能量的技术途径有很多:一是工艺进步,如今电池工艺设计已相对成熟,提高电池比能量的空间不大;二是材料性能的提升,受制于自身物化性能,以磷酸铁锂和三元锂为正极、碳材料为负极的锂离子动力电池在能量密度上很难有大的突破;三是新材料、新体系,即开发高比能新材料、发展动力电池新体系是未来动力电池比能量大幅度提升的主要途径。“一项新技术从实验室走向应用,往往要经历很多年的时间。”缪文泉表示。他认为,2020年并不是一个遥远的未来,目前还没有看到任何确定性的解决方案,能达成上述目标的新一代动力电池体系屈指可数。他透露,目前日韩正在研究胶体电池,这是一种没有
电解液隔膜的新型电池,有可能给电池带来质变,但是现在还没有产业化的消息。 

  为电池减负是可行方式 

  如果现阶段不能有效地提高电池能量密度,那么是不是可以考虑从给电池包整体减重的角度去提高能量密度呢?中国电池工业协会张旻昱博士告诉记者,这个思路完全可行。她表示,动力电池电池包中,电芯的重量一般占比在1/3~2/3之间,其余部分为电路板、壳体等配件。如果将这些配件的重量有效降低,同时维持现有电芯能量密度,电池包整体的能量密度会有一个明显的提高。 

  在2010年前后,动力电池包因为安全等需要,往往采用金属外壳,电池包整体能量密度很低。后来更换高聚合物外壳后,能量密度有了大幅提高。张旻昱表示,电池包能量密度是一个系统问题,提高电芯能量密度是一个直接手段,但是做好电芯的布置,电路的规划,减轻壳体重量,为电池减负,也是提高电池能量密度的一个有效手段。 

  在实际应用中,记者了解到北汽
新能源EV200车型的电池箱下箱体使用铝合金材料,上盖采用复合材料,能够有效减重几十公斤。北汽新能源副总经理王可峰表示,通过降低电池整体重量,可以实现整车减重,是提升电池箱能量密度的一个有效手段。另外他表示,更换更轻材料一般都会导致电池成本的上涨,现在北汽新能源也在加紧这方面的研究,争取应用更轻更强成本更低的材料。 

  未来新电池研发与减重并行 

  根据国务院颁布的《节能与
新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》中提及的目标,今年动力电池模块的能量密度达到150Wh/kg(折算成单体电池,其能量密度大约需要达到170-190Wh/kg),至2020年动力电池模块的能量密度达到300Wh/kg(对应的单体电池能量密度至少达到330Wh/kg以上)。 

  张旻昱表示,为了达成300Wh/kg的目标,研发新电池与电池包减重需要并行。她介绍,动力电池因为装配在汽车之上,需要经过各种工况的测试,要保证一定的结构安全。将钢壳换成碳纤维壳或其他材料的外壳,只要能保证强度要求,完全可行。电池包另一项重要指标是散热与均热能力。如果电池组局部过热,会导致电池内阻不一致,电芯放电容量下降,那些放电不充分的电芯从某种意义上说,为电池包增了重。“电池包能量密度达到300Wh/kg,光靠为电池减重可能是无法达到的,但是动力电池作为一个系统,这方面的作用不容忽视。”张旻昱说。中国电动汽车百人会副秘书长王贺武表示,在动力电池的制造上,中国并不落后外国同行。但是国内企业比较缺乏基础性研究,过度追求高比能量电芯,应该均衡发展,在研发新型材料电池的同时,重视对现有电池体系的减重。 

  电池减重依赖产业化进程 

  电动汽车动力电池现在售价比较昂贵,以北汽
新能源EV200为例,电池成本几乎占据整车成本的一半左右。如果在此基础上,更换轻型材料,成本还会上涨。这是很多整车厂暂时没有采用新型材料的最大原因。另外,新型材料是不是能为消费者接受,也是整车厂需要考虑的一个问题。在纯电动汽车使用成本比较低的情况下,消费者对轻型材料的需求并不高,也从另一个方面制约了轻型材料的应用。 

  从短期内看,为电池“减负”有点费力不讨好。部分整车厂负责人向记者反映,如果产业链比较成熟,
新能源汽车产销量进一步放大,新型材料才有可能大量使用。对于半年销量只有7万余量的新能源汽车来说,这确实是大实话。一位业内专家给记者讲过一个他自己的经历就很说明问题。 

  这位专家从事
新能源汽车的研究工作,所以购买了一辆电动汽车使用。在一次倒车时,不小心撞上了墙,后保险杠和后车窗损坏。他把车送回4S店维修,本以为一个星期就能修好,结果等了一个月才修好。维修费也吓了他一跳,维修保险杠和后车窗竟花费1万多元。专家很不解,向4S店咨询,被告知因为整车厂产量不高,没有配件,一个月里大部分时间在等配件。另外因为配件非常贵,维修费也远远高出传统汽车。专家最后感叹:“都是因为量少啊。” 

  电池减重需要产业化进程的加速,其实放大到整个
新能源汽车而言,也同样依赖产业化进程的提速。今年上半年,新能源汽车市场产销两旺。按照这种势头,今年全年销量有望突破20万辆。在这样一个量级上,产业链会进一步成熟,零部件成本有望进一步下降。 

  就目前情况来看,小批量的示范运营和大规模的市场化运营中间,远远不是一个简单的数量累加。车企要加大研发投入尽快实现技术的进步,突破技术的门槛和壁垒,提升续驶里程,快速摊薄成本,最终实现幼稚产业在最短的时间内成长和成熟起来。 

  条条大路通罗马 

  从目前看,提升动力电池能量密度的方法比较有限,除了研发新型电池以外,无外乎增加正极活性物质的重量和减少电池组配件重量两种方法。对前一种方法而言,能够直接增加电池能量,但是带来的问题也比较多,如安全性的下降和局部过热问题。后一方法效果虽然不那么直观,但是也能达到第一种方法的目的。 

  减轻配件重量但不能降低配件的强度。从现在电池研发的情况看,我国在这方面的研究和应用比较滞后。在材料学的研究上,我们必须承认和国外还有一定的差距,尤其是在基础研发上。另外,用更轻的材料替换原有较重的材料,普遍面临成本上涨的问题。在动力电池已经很昂贵的情况下,整车厂采用这种方法的可能性不大。 

  但是,从国外研究的成果看,寻找一种强度大、重量轻且成本低的材料是可能的。前段时间,沃尔沃汽车宣布电动汽车电池轻量化进入实用化测试阶段,沃尔沃表示,新
电池材料成本更低,也更加环保。如果将目前的电动车电池全部更换成这种新型材料,可以减低车重超过15%,效果是显而易见的。 

  通过电池的重新排列布置也是提高系统能量密度的有效手段之一。例如通过对电芯尺寸的研究设计,与整车布置相匹配,更高效放置更多的电池,从而使电池箱体积不变,增加电芯数量,实现更长的续驶里程。总之,提高电池能量密度,完全可以通过各种方法去实现。 

  除了要长远规划之外,汽车企业眼下的当务之急是研发出更可靠、经济的轻量化材料。在电池技术面临瓶颈的时期,多从轻量化的设计理念思考是电动汽车技术革命的一个重要推力。无论未来新型电池是由何种材料构成,组成电池包的材料基本可以通用,短期看可能收益不大,但从长远来说,这种基础性研究不会徒劳无功。
 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有550多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
本会专业范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

关键词: 动力电池 增容 减重
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