如何滿足龐大的電動汽車市場？低成本長壽命高安全的熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池來了

時間:2021-01-20 10:09來源:新能源Leader 作者:楊曉光 王朝陽
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       第一作者：楊曉光
       通訊作者：王朝陽
       單位：美國賓夕法尼亞州立大學電化學發(fā)動機研究中心
 
       2020年是魔幻且艱難的一年，但對電動汽車行業(yè)來說卻是具有里程碑意義的一年：特斯拉成為全球市值最高的車企，比亞迪、蔚來市值超越通用、戴姆勒，寧德時代超越中石油。電動化轉(zhuǎn)型這一汽車行業(yè)百年來最大的技術(shù)變革已大幕拉開，面對未來龐大的電動汽車市場，有電動汽車心臟之稱的動力電池技術(shù)應(yīng)當如何發(fā)展，才能讓電動汽車真正走進千家萬戶？與資本市場偏愛動聽的故事和炫酷的概念不同，翻看國內(nèi)近幾個月的新能源汽車銷量，相信很多人都不會想到，五菱宏光MINI這款“老頭樂”會打敗包括特斯拉Model 3在內(nèi)的所有新能源車。其根本原因就是：便宜；這恰恰反映了我國主流汽車銷售市場的真實需求。因此，無論未來電池技術(shù)如何發(fā)展，如果成本過高，終將是水中月鏡中花。
 
       本文提出了一種面向大眾市場的電動汽車動力電池方案，其包含以下核心點：
 
       1）與當前車企動輒追求150kWh以上電池包以達到1000公里續(xù)航的炫酷概念相反，本文主張采用如40kWh的小電池包，并采用成本低廉但安全性極高的磷酸鐵鋰材料。這樣的電池包一次充電可提供300公里續(xù)航，滿足日常通勤需求，同時電池成本可大幅降低至2.5萬元每車。
 
       2）采用快速熱調(diào)控技術(shù)將電池工作溫度固定在60℃左右，一方面可實現(xiàn)10分鐘快速充電，徹底消除里程焦慮；另一方面使電池在全溫度區(qū)間(-40℃至+60℃)均保持優(yōu)異的能量和功率特性，不僅解決了磷酸鐵鋰材料低溫性能差的致命弱點，更使得40kWh電池包擁有>300kW的峰值功率，可實現(xiàn)3秒內(nèi)百公里加速；
 
       3）負極采用小比表面積的石墨材料，進一步提高磷酸鐵鋰電池的安全性，同時可緩解高溫工作引起的材料衰減，提高電池壽命。
 
       綜上所述，這種熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池可同時滿足電動汽車的多項需求：無里程焦慮、低成本、高安全性、長壽命、全氣候，為面向大眾市場的電動汽車提供了一種全新的電池方案。
 
       磷酸鐵鋰 vs 高鎳三元
 
       對能量密度的追求是多年來動力電池發(fā)展的主旋律。電動汽車已由早期的磷酸鐵鋰電池逐步轉(zhuǎn)向能量密度更高的三元電池。2019年，磷酸鐵鋰電池在乘用車市場的份額降至歷史新低的10%。業(yè)界曾普遍認為，具有更高能量密度的高鎳三元電池將是未來的主流。然而，鎳含量的增加會降低三元材料的熱穩(wěn)定性，對電動汽車安全帶來極大挑戰(zhàn)，而安全是所有汽車追求的永恒主題。磷酸鐵鋰材料具有分解溫度高、自放熱量小、不析氧等優(yōu)點，安全性極高。根據(jù)新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布的《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報告》，2019年5月至8月間我國發(fā)生的79起新能源汽車安全事故中，86% 的事故車輛使用了三元鋰電池，只有7% 的事故車輛使用了磷酸鐵鋰電池。
 
       除安全性外，磷酸鐵鋰電池在成本上擁有明顯優(yōu)勢，其電池包成本已降至100美元/千瓦時以下，而100美元/千瓦時被普遍認為是電動汽車可以與燃油車抗衡的臨界點。根據(jù)彭博社統(tǒng)計，目前三元電池的成本約156美元/千瓦時，預計2025年以后才可能降至100美元/千瓦這一臨界點。
 
       電芯能量密度 vs 電池包能量密度
 
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圖1. 當前主流電動汽車電芯和電池包的質(zhì)量能量密度和體積能量密度。
 
       磷酸鐵鋰的最大缺點是比容量低，導致電池能量密度低。目前主流的高鎳三元電池電芯能量密度已超過260Wh/kg，而磷酸鐵鋰電芯的能量密度只有~180Wh/kg。然而對電動汽車而言，最關(guān)鍵的參數(shù)不是電芯的能量密度，而是電池包的能量密度。傳統(tǒng)的電池包就像一個俄羅斯套娃，其內(nèi)部包含多個模組，每個模組又包含多個電芯。電芯-電芯、電芯-模組、模組-模組之間的連接件和結(jié)構(gòu)固定件會造成質(zhì)量和空間的極大浪費，導致電池包的能量密度遠低于電芯的能量密度。圖1匯總了當前主流電動汽車電芯和電池包的質(zhì)量和體積能量密度。這里我們定義兩個參數(shù)：GCTP (gravimetric cell to pack ratio) 代表電池包的質(zhì)量能量密度與電芯的質(zhì)量能量密度的比值，即電池包質(zhì)量利用率。VCTP (volumetric cell to pack ratio)代表電池包的體積能量密度與電芯的體積能量密度的比值，即體積利用率。如圖1所示，當前絕大多數(shù)電動汽車的質(zhì)量利用率(GCTP)低于0.65，而體積利用率(VCTP)更是低于0.4。
 
       可見，提高電池包的成組效率可能比通過材料改進而提高電芯比能量的方法帶來更大收益。近年來，工業(yè)界在電池系統(tǒng)創(chuàng)新方面取得了顯著進展，比如比亞迪的刀片電池技術(shù)，寧德時代的CTP (cell to pack)技術(shù)，國軒的J2M (jellyroll to module) 技術(shù)等。其核心思想都是盡量去除電池包的冗余部件以提高成組效率。比如比亞迪的刀片電池將電芯寬度設(shè)計成與電池包寬度相當，然后將多個電芯陣列直接插入電池包中，省掉了傳統(tǒng)電池包中的模組及相關(guān)連接件和結(jié)構(gòu)固定件，從而顯著提高了電池成組效率。
 
       圖2比較了不同活性物質(zhì)載量下傳統(tǒng)三元電池(石墨-NMC622)和磷酸鐵鋰刀片電池在單體電芯和電池包層面的質(zhì)量和體積能量密度�？梢钥吹剑�磷酸鐵鋰電芯的能量密度遠低于三元電芯，但由于刀片電池極高的成組效率，磷酸鐵鋰刀片電池包的質(zhì)量能量密度已經(jīng)與傳統(tǒng)三元電池包相當，而其體積能量密度甚至已高于傳統(tǒng)的三元電池包。
 

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圖2. 傳統(tǒng)三元電池和磷酸鐵鋰刀片電池的電芯(a,c)和電池包(b,d)質(zhì)量能量密度(a,b)和體積能量密度(c,d).
 
       磷酸鐵鋰刀片電池的瓶頸
 
       作者利用電化學-熱耦合模型進一步比較了磷酸鐵鋰刀片電池和傳統(tǒng)三元電池的各項技術(shù)指標，包括功率特性、環(huán)境溫度適應(yīng)性、快充特性等。圖3是采用兩種電池的40kWh電池包在不同環(huán)境溫度下的續(xù)航里程。左側(cè)為UDDS測試標準，模擬城市路況；右側(cè)為US06測試協(xié)議，對應(yīng)高速工況。由于采用刀片電池結(jié)構(gòu)后磷酸鐵鋰電池包的能量密度已與傳統(tǒng)三元電池相當，兩種電池包在>10℃環(huán)境的續(xù)航里程已十分接近。但是我們可以看到，磷酸鐵鋰低溫性能差的弱點會導致其低溫工況的續(xù)航里程遠低于三元電池。因此，低溫將是磷酸鐵鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。
 
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圖3. 搭載40kWh磷酸鐵鋰刀片電池包或傳統(tǒng)三元電池包的電動汽車在不同環(huán)境溫度下的續(xù)航里程。(a,c) UDDS測試標準，模擬城市路況；(b,d) US06測試標準，模擬高速路況。
 
       熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池
 
       基于上述分析，本文提出了熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery)的概念。其核心是在車輛啟動或充電之前將電池由環(huán)境溫度快速加熱至60℃左右工作，關(guān)機后自然冷卻電池靜置在環(huán)境溫度。
 
       熱調(diào)控帶來的第一個好處是實現(xiàn)10分鐘極速充電。電池快速充電的最大瓶頸是所謂的析鋰現(xiàn)象：在高電流或低溫充電時，鋰電池負極電勢可能降至0V以下，造成鋰離子在石墨表面以金屬形態(tài)析出，極大地影響電池壽命并造成安全隱患。圖4研究了不同溫度下磷酸鐵鋰和傳統(tǒng)NMC622電池的最大充電速率�？梢钥吹剑�25℃環(huán)境，磷酸鐵鋰電池最快可實現(xiàn)3C (20 分鐘)充電，但在0℃條件下，該電池只能實現(xiàn)0.7C (80分鐘)充電。相反，若升溫至60℃，該磷酸鐵鋰電池使用6C充電也無析鋰，且充電時間可降至10分鐘以內(nèi)。因此，只要加熱速度足夠快，熱調(diào)控電池在任何環(huán)境溫度下都可以實現(xiàn)10分鐘快速補能。
 
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圖4. 不同環(huán)境溫度下最大充電速率。(a,c,e) 電池電壓，(b,d,f) 負極電勢。負極電勢<0v會導致電池析鋰。
 
        熱調(diào)控電池的第二大優(yōu)勢是實現(xiàn)全氣候高續(xù)航、高功率。圖5a比較了在UDDS工況下搭載40kWh電池包的電動汽車續(xù)航里程。傳統(tǒng)NMC622電池和LFP刀片電池都是從滿電狀態(tài)(100%SOC)開始工作，而熱調(diào)控 (TM-LFP) 電池先從環(huán)境溫度加熱至60℃后再開始工作�；诒疚淖髡叽饲伴_發(fā)的自加熱電池結(jié)構(gòu)，每10℃電池溫升大概消耗1.35%SOC，意味著從-20℃加熱至60℃消耗10.8% SOC�？梢钥吹剑�雖然在-20℃工況下TM-LFP電池加熱后只剩余89.2% SOC，其仍然可以提供>250公里的續(xù)航里程；而傳統(tǒng)三元電池包在-20℃下只能行駛100公里，磷酸鐵鋰刀片電池在-20℃下已幾乎無法工作。此外，溫度的升高將極大地提高電池的功率特性。如圖5b所示，即使在-20℃，TM-LFP電池在10%SOC下的功率密度仍然達到~1500W/kg，已經(jīng)高于了歐洲汽車研發(fā)委員會(EUCAR)制定的動力電池在2030年的功率密度目標。更重要的是，該功率密度使得40kWh的電池包能夠擁有>300kW的峰值功率，意味著百公里加速可在3秒以內(nèi)。
 
        熱調(diào)控電池的最大挑戰(zhàn)是高溫工作引起的電池材料衰減，尤其是高溫會加速負極SEI的增長，引起容量的衰減。需要指出的是，熱調(diào)控電池只是在電池工作（汽車駕駛）時處于60℃高溫，在其他時間均處于環(huán)境溫度。以美國為例，根據(jù)美國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)，美國人平均每天駕駛51分鐘，行駛31.5英里，意味著汽車只有3.5% (51分鐘/24小時)的時間處于行駛狀態(tài)，即熱調(diào)控電池在其生命周期內(nèi)只有3.5%的時間處于60℃。圖5d展示了一款LFP商業(yè)電池在60℃環(huán)境存儲的壽命�？梢钥吹�，即使在100%SOC，該LFP電池在60℃的壽命可以達到660天。對于TM-LFP電池而言，假設(shè)汽車平均時速37英里(60公里每小時)，在60℃工作660天意味著總駕駛里程可達58萬英里(95萬公里)。因此，高溫工作并不會對電池壽命造成顯著影響。需要指出的是， LFP材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使其非常適合高溫工作。
 

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圖5. 熱調(diào)控電池(TM-LFP battery)實現(xiàn)全氣候a) 高續(xù)航里程，b)高功率，c)10分鐘充電。d)石墨-LFP電池在60℃、100%SOC下存儲的日歷壽命。
 
        此外，由于SEI增長速率與石墨材料的比表面積成正比，作者提出使用低比表面積石墨材料以進一步提高電池壽命的策略。低比表面積石墨材料的最大問題是其會增大電池內(nèi)阻而降低電池功率性能，而熱調(diào)控電池的高溫工作完美地彌補了這一不足，非常適合低比表面積的石墨材料的應(yīng)用。如圖5d所示，若石墨比表面積降低一半(石墨粒徑增大一倍)，LFP電池在60℃存儲的壽命可延長至2315天，按照前述估計方法，采用熱調(diào)控電池的整車壽命有望超過320萬公里。
 
        需要指出的是，熱調(diào)控電池在高溫工作使得電池與環(huán)境之間具有較大的溫差，可以顯著的降低電池熱管理系統(tǒng)的需求，從而進一步提高電池包的成組效率并降低電池成本。圖6匯總了上述傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池、熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池的各項性能指標。可以看到，熱調(diào)控電池可同時滿足電動汽車的多項需求：低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長壽命，因此非常有潛力應(yīng)用于未來面向大眾市場的電動汽車中。
 

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圖6. 熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池、傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池的性能指標雷達圖。
 

       團隊介紹：
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        楊曉光：2014年4月博士畢業(yè)于上海交通大學動力工程及工程熱物理專業(yè)，師從鄭平院士。同年加入賓州州立大學王朝陽院士團隊開展博士后研究，2018年3月起擔任助理研究教授。研究方向側(cè)重于利用結(jié)構(gòu)和工作策略創(chuàng)新以及電化學-熱-機械耦合仿真提高動力和儲能電池的快速充電能力、壽命、低溫性能等。以第一作者在Nature Energy, Joule, PNAS等國際頂級期刊發(fā)表多篇研究論文，研究成果被Science、Nature雜志以及全球多家主流媒體（USA Today，英國衛(wèi)報、獨立報、每日郵報，法國法新社、費加羅報，德國圖片報、世界報，西班牙先鋒報、阿貝塞報，中國環(huán)球時報、參考消息等）報道。
 
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       王朝陽：美國國家發(fā)明家科學院院士，美國賓州州立大學機械工程William E. Diefenderfer講席教授，化學工程、材料科學與工程杰出教授，賓州州立大學電化學發(fā)動機中心（ECEC）和電池與儲能技術(shù)中心（BEST Center）主任及創(chuàng)始人，美國機械工程師學會（ASME）會士，電化學學會（ECS）電池分會執(zhí)行委員，聯(lián)合國發(fā)展計劃署高級技術(shù)顧問。王教授在鋰離子電池和燃料電池技術(shù)方面擁有超過25年的研究經(jīng)驗，在Nature，Nature Energy, Joule, PNAS, Sci. Adv., Energy Environmental Sci, JACS等期刊發(fā)表論文220多篇，總計被引量超過33,000次，H指數(shù)為102，是湯森路透評選的工程學高被引科學家之一。他發(fā)表在Nature上的關(guān)于全氣候電池（ACB）的研究被2022年北京冬奧運會采用，成為驅(qū)動奧運電動汽車的核心技術(shù)之一。

(責任編輯：子蕊)
作者：楊曉光 王朝陽 ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://jzr14e.cn/qianyan//2021012035263.html
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