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锂离子电池:改变汽车产业的革命性技术

时间:2023-05-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:当时,Baker汽车公司就生产过一款配备了镍铁电池的电动汽车,续航里程约为80公里。相比高于1 000美元的镍铁电池汽车,显然极具竞争力。一时间,电动汽车再次上演了“全球大败退”。如今,从手机到笔记本电脑,锂离子电池的身影无处不在。但不可否认,一个锂离子电池主导的汽车时代已经到来。目前,大多数锂离子电池的负极多由碳基材料构成,比如石墨。这也是市面上之所以出现多种锂离子电池的原因。

锂离子电池:改变汽车产业的革命性技术

1.电动汽车的两次历史“败退”

电动汽车并非新时代的产物。早在19世纪后期,配备电池的电动车就曾风靡一时。19世纪末到20世纪初的欧美国家街道上,既有电动车,也有内燃机汽车乃至蒸汽汽车。相比气缸震动引发颠覆的燃油车,还有能效很低的蒸汽汽车,安静、平稳、干净的电动汽车一度更受市场欢迎,是当时的明星产品。

发明大家爱迪生就是电动汽车的坚定支持者,也是镍铁电池的发明者和专利拥有者。爱迪生凭借着自己的科学家地位,一度给电动汽车“带货”不少。正因如此,镍铁电池常被称为“爱迪生电池”。当时,Baker汽车公司就生产过一款配备了镍铁电池的电动汽车,续航里程约为80公里。

镍铁电池,顾名思义就是正极为氧化镍、负极是铁的充电电池。20世纪前半叶,镍铁电池被普遍视为具备最优竞争力的储能装置。

然而好景不长。1903年,亨利·福特与其他几位投资者共同成立福特汽车公司。1908年,福特T 型汽车问世,开启了以流水线作业大规模生产汽车的时代,由此大大降低了内燃机汽车的成本。

最初,福特T 型车将价格定为850美元,此后更是凭借着高产量一路压低售价、抢夺市场。相比高于1 000美元的镍铁电池汽车,显然极具竞争力。

此后许多年,内燃机技术不断进步,而包括镍铁电池在内的电动汽车,却由于在成本与性能方面劣势凸显,渐渐被打入了汽车产业的“冷宫”。20世纪中叶,电动汽车几乎退出了历史舞台。全球汽车产业正式进入了内燃机大爆发的时代。

然而在20世纪70年代,两场石油危机的暴发却给全球工业带来严峻挑战,严重依赖石油的内燃机汽车亦不能幸免。传统汽车产业在生死攸关之际,开始重新寻找新能源替代方案。

这一时期,汽车产业主推的是镍氢电池,其最大优势在于安全可靠。通用丰田等企业都曾推出了配备镍氢电池的车型。特别是在混合动力汽车领域,镍氢电池曾大放异彩。混动汽车的代表车型——丰田普锐斯,配置的就是镍氢电池。

尽管如此,这一时期的动力电池依旧无法解决汽车的“续航历程焦虑”问题,再加上造价和使用成本过高,以至于在世纪之交,全球共销售出电动汽车6万辆,只占总保有量6亿辆的万分之一。一时间,电动汽车再次上演了“全球大败退”。

可见,想要重新登上历史舞台,与内燃机汽车一争高下,电动汽车就必须在动力电池的技术选择上另辟蹊径。

2.锂离子电池登场

2019年诺贝尔化学奖授予了三位为锂电池作出重大贡献的科学家:约翰·B.古迪纳夫(John B.Goodenough)、M.斯坦利·威廷汉(M.Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)。组委会给出的获奖原因为:“他们创造了一个可充电的世界。”

如今,从手机笔记本电脑,锂离子电池的身影无处不在。这种电池重量轻、可充电,通过为无数电子设备供电,改变了人类日常生活中利用化学能源的方式,也几乎重塑了电力世界。

锂的特性决定了它非常适合做高能量密度、高电压的电池。简单来说,锂离子电池的工作原理是:锂离子作为电荷载体,通过在正极和负极之间流动,完成电池的充放电过程。当电池放电时,锂离子从负极通过电解质流向正极,充电时则反向流回。

如今在电动汽车产业界,常被提及的磷酸铁锂和三元锂电池,都属于锂离子电池的范畴,区别主要在于正极材料的“配方不同”,从而在能量密度、安全性、成本等方面存在很大差异。在环保和能源压力的倒逼作用下,近些年汽车电动化已经成为不可逆转的全球趋势。

虽然动力电池技术已经取得长足进展,但远没有达到足够成熟的地步。“续航里程焦虑”“性价比”“安全性”等老问题也依旧困扰着业界和消费者。但不可否认,一个锂离子电池主导的汽车时代已经到来。(www.xing528.com)

3.路线之争

由于具有高能量密度与高工作电压的优势,目前锂离子电池已经成为车用动力电池的主流。

一般意义上的电池是由三部分组成:正极、负极与电解质。由于金属锂与空气和水都能发生剧烈反应,活性极高,因此需要将它嵌入其他材料中保持稳定性。

目前,大多数锂离子电池的负极多由碳基材料构成,比如石墨。而正极材料的配比则多种多样,不同电池厂商和整车厂各有“配方”。这也是市面上之所以出现多种锂离子电池的原因。

比如,现在主流的三种锂离子电池包括:宝马日产等大多数传统车企青睐的锂镍钴锰(NMC)电池、特斯拉独家推崇的锂镍钴铝(NCA)电池、巴士和客车常搭载的磷酸铁锂(LFP)电池。其中,NMC和NCA 由于构成类似(都有镍和钴),因此又同属于三元锂电池的范畴。

按照镍、钴、锰三者的用量比例,锂镍钴锰(NMC)电池又分为111型、523型、622型和811等型号。比如,811电池正极材料中的锂、镍、钴比例就是80%∶10%∶10%。可见,这些电池名字虽然看上去晦涩拗口,但其实把正极材料的构成和用量比例说得很明白。

近年来汽车动力电池市场的两大派别,就是磷酸铁锂电池和三元锂电池。而评价一款电池,一般可以从五个维度出发:功率、能量、使用寿命、成本和安全性。对比两种电池技术路线可以发现:磷酸铁锂电池(LFP)的优势在于安全性很高,使用寿命长,成本也比较可控;但是短板在于单位体积的能量密度低。

所谓能量密度,通俗解释就是“一辆电动汽车充电一次可以跑多远”。换言之,磷酸铁锂汽车相对而言“跑不了太远”。相比之下,三元锂电池的能量密度表现非常好,但缺点在于成本造价高,且安全性差一些。

据悉,目前电池系统成本在0.6~1元/Wh左右。三元电池为1元/Wh,磷酸铁锂电池约0.6元/Wh。二者今后虽然都有下降空间,但磷酸铁锂电池的成本优势还是比较明显。

由此可见,围绕业界和消费者对电动汽车的种种疑虑——包括安全性、性价比和续驶里程,其实与这两种技术路线各自的优势和短板息息相关。要选配哪种电池,就要看汽车厂商和消费者更看重电动汽车的哪些特质。

三元锂电池在续航里程方面有优势,可以有效缓解里程焦虑,因此乘用车厂商更倾向于选用;相比之下,对于高续驶里程并不太敏感,但对安全性要求高的客车厂商则更青睐磷酸铁锂电池。

比如,2019年亮相伦敦的Enviro 400双层纯电动巴士,搭载的就是中国比亚迪公司的磷酸铁锂电池,续航里程在160英里左右(约257公里)。

在中国,2014 年和2015 年左右,磷酸铁锂电池的市占率曾高达55%~70%,但是从2017年开始,随着国家新能源汽车补贴政策向高能量密度电池和高续航里程电动车倾斜,再加上三元锂电池技术不断进步,磷酸铁锂电池的市场占有率开始下降。

动力电池应用分会研究部统计数据显示:2019年上半年中国新能源汽车动力电池装机总量为30 014.37MWh,同比增长94.29%。其中,三元电池和磷酸铁锂电池装机量占比分别为71.14%与26.97%,三元锂反超态势愈加明显。

从全球电动汽车的电池装配情况来看,三元锂电池也暂时更胜一筹。根据麦肯锡咨询公司统计数据,除中国外,全球其他国家和地区的车用动力电池装机量中,三元锂电池占比高达90%以上。据推算,这一比例在2020年将有可能达到98%。特别是NMC 622和NMC 811两个型号的电池,将快速占领市场。

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