特斯拉上的電池竟然是這樣！主流電動(dòng)車(chē)上都搭載什么電池？

時(shí)間:2018-11-21 14:11來(lái)源:理想智造 作者:綜合報(bào)道
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　　電池的發(fā)展是一個(gè)緩慢的過(guò)程。考慮到安全、成本和效率，尋找一款能廣泛應(yīng)用車(chē)輛的電池更是難上加難。那么，新能源車(chē)上的這些電池的材料和原理又是怎么一回事？
 
　　■ 六類(lèi)鋰電池
 
　　目前鋰離子電池主要是按照正極材料的不同來(lái)分類(lèi)，因?yàn)樨?fù)極材料對(duì)電池能量密度的影響不大，業(yè)界主要通過(guò)不斷改進(jìn)正極材料來(lái)努力提升電池的性能。
 
　　市面上最早有六類(lèi)電池材料：鈦酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳和鎳鈷鋁。
 
　　鈦酸鋰是作為負(fù)極材料是用的鋰電池，受制于材料限制，能量密度很低，基本限制了它的發(fā)展。鈷酸鋰因?yàn)槟芰棵芏认鄬?duì)較高，可壽命和耐高溫性能較差，被廣泛應(yīng)用在手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備當(dāng)中。錳酸鋰成本低而且穩(wěn)定，但能量密度也比較低。在電動(dòng)車(chē)發(fā)展初期，也有廠商使用了鈷酸鋰和錳酸鋰這兩類(lèi)鋰電池，有一些混合動(dòng)力車(chē)型至今仍在使用，但目前行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)很明朗了，這兩款電池逐漸被綜合性能更好的磷酸鐵鋰與三元鋰電池所取代。
 
　　綜合起來(lái)，目前廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)行業(yè)的主要有兩類(lèi)電池材料——磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。
 
　　不同電池材料會(huì)賦予電池不同特性，今天我們就跟大家講講這兩類(lèi)主流電池材料和他們的優(yōu)劣點(diǎn)及應(yīng)用車(chē)型。在開(kāi)篇之前，我們依舊強(qiáng)調(diào)：技術(shù)并沒(méi)有好壞或者優(yōu)劣之分，技術(shù)的運(yùn)用適用于不同的產(chǎn)品或者環(huán)境，而不是技術(shù)A的出現(xiàn)會(huì)把技術(shù)B淘汰。
 
　　■ 什么是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池？
 
　　磷酸鐵鋰電池(LFP)：用磷酸鐵鋰作正極材料的鋰離子電池。
 
　　三元鋰電池：使用鎳鈷錳(NCM)或者鎳鈷鋁(NCA)材料做正極材料的三元復(fù)合物鋰電池，是未來(lái)消費(fèi)級(jí)電動(dòng)車(chē)使用大趨勢(shì)。
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　　▲ 美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)“Grand view research”對(duì)不同材料電池的美國(guó)市場(chǎng)預(yù)測(cè)曲線。
 
　　同樣都是鋰電池，為什么兩類(lèi)電池的使用場(chǎng)景會(huì)有區(qū)別？接下來(lái)我們就跟大家聊聊這兩種電池的不同特性。
 
　　■ 材料決定性能
 
　　電池能量密度：三元鋰電池>磷酸鐵鋰電池
 
　　電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力來(lái)自電池的充放電，電池性能的關(guān)鍵是能量密度，也就是單位電池質(zhì)量中儲(chǔ)存能量的大小(單位瓦時(shí)/千克)。電動(dòng)車(chē)擁有高的能量密度，代表能提供更多的動(dòng)力，俗稱(chēng)“勁兒大”。
 
　　受制于化學(xué)特性，磷酸鐵鋰電池的電壓平臺(tái)低，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本維持在140瓦時(shí)/千克左右。而三元鋰電池電壓高，能量密度基本為240瓦時(shí)/千克。也就是說(shuō)，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。
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　　上圖為海外研究機(jī)構(gòu)調(diào)研關(guān)于市場(chǎng)上平均能量密度的曲線圖。NCM(鎳鈷錳)和NCA(鎳鈷鋁)同為三元鋰電池，但能量密度也不一樣，可以看到三元鋰電池能量密度明顯高于磷酸鐵鋰電池。
 
　　不同廠家會(huì)研發(fā)不同“配方”的三元鋰電池(鎳、鈷、錳三者不同比例)，特斯拉Model3使用的21700 NCA三元鋰電池電芯的能量密度高達(dá)260瓦時(shí)/千克，是目前的量產(chǎn)電動(dòng)車(chē)?yán)镒罡叩�，它的鎳鈷鋁比例為8:1.5:0.5，屬于“高鎳電池”。
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▲ Tesla的柱狀三元鋰電池
 
　　但是高鎳電池由于能量密度過(guò)高，在安全上存在較大隱患。為了降低電池危險(xiǎn)，會(huì)選擇采用鎳鈷鋁比例5：2：3的NCM三元鋰電池。雖然電池能量密度相較NCA略低，但整個(gè)NCM電池技術(shù)和安全卻能有效把控。
 
　　電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力來(lái)自電池的充放電，電池性能的關(guān)鍵是能量密度，也就是單位電池質(zhì)量中儲(chǔ)存能量的大小(單位瓦時(shí)/千克)。電動(dòng)車(chē)擁有高的能量密度，代表能提供更多的動(dòng)力，俗稱(chēng)“勁兒大”。
 
　　受制于化學(xué)特性，磷酸鐵鋰電池的電壓平臺(tái)低，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本維持在140瓦時(shí)/千克左右。而三元鋰電池電壓高，能量密度基本為240瓦時(shí)/千克。也就是說(shuō)，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。
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▲ 為了便于理解，我們用表格體現(xiàn)NCM與NCA不同電池材料的能量密度
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▲ 理想智造ONE使用的是方殼形NCM電池
 
　　安全性：磷酸鐵鋰電池>三元鋰電池
 
　　磷酸鐵鋰的化學(xué)鍵穩(wěn)定，電熱峰值大于350℃，高溫下不易分解(可以堅(jiān)持到700℃以上)，三元鋰電池?zé)岱�(wěn)定性較差，300℃下容易分解，容易出現(xiàn)電池?fù)p壞。所以在高溫條件，磷酸鐵鋰的安全性相對(duì)較高。以三元鋰電池為動(dòng)力的車(chē)型需要防過(guò)溫保護(hù)裝置的電池和電池管理系統(tǒng)來(lái)保護(hù)電池的安全。
 
　　使用壽命：磷酸鐵鋰電池>三元鋰電池
 
　　考察電池壽命就是考察電池在多次完全充放電后的電量衰減，一般電動(dòng)車(chē)電池充滿后衰減到原有80%電量就代表電池該換了。
 
　　磷酸鐵鋰電池的完全充放電循環(huán)次數(shù)>3500次后電量才會(huì)衰減到原有標(biāo)定的80%。也就是說(shuō)如果每天充放電一次，磷酸鐵鋰電池近10年才出現(xiàn)明顯衰減現(xiàn)象。
 
　　三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池壽命低一些，完全充放電循環(huán)大于2000次會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，也就是6年的時(shí)間，需要電池管理和車(chē)輛電控系統(tǒng)來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。目前電動(dòng)車(chē)上的三元鋰電池基本上能保證8年以上才會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。
 
　　小知識(shí)：未用光電池的前提下，電動(dòng)車(chē)慢充電其實(shí)是有助于延長(zhǎng)電池壽命的，所以不要怕老充電對(duì)電池不好。
 
　　低溫性能：三元鋰電池>磷酸鐵鋰電池
 
　　還是由于電池的化學(xué)材料，電動(dòng)車(chē)的冬季里程衰減是困擾電動(dòng)車(chē)普及的大問(wèn)題。目前世界上所有的電動(dòng)車(chē)在冬天都會(huì)出現(xiàn)不同程度的里程衰減。
 
　　磷酸鐵鋰電池的低溫溫度使用下限值(-20℃)，且低溫環(huán)境下放電性能差，冬季時(shí)里程衰減嚴(yán)重(將近40%)。三元鋰電池低溫溫度使用下限值(-30℃)，低溫放電性能好，與磷酸鐵鋰電池相同低溫條件下，冬季時(shí)里程衰減不到15%，明顯高于磷酸鐵鋰電池。
 
　　為了避免出現(xiàn)明顯的里程衰減現(xiàn)象，車(chē)輛需要用熱管理來(lái)保證電動(dòng)車(chē)冬季性能，這點(diǎn)我們會(huì)單做文章跟大家仔細(xì)聊聊。
 
　　成本：三元鋰>磷酸鐵鋰
 
　　由于磷酸鐵鋰電池中沒(méi)有貴重金屬(鎳鈷金屬元素)，所以在生產(chǎn)成本上較低。
 
　　如上文所說(shuō)，三元鋰電池使用了鎳鈷錳多種礦材料，并且高鎳電池的生產(chǎn)需要比較嚴(yán)格的工藝環(huán)境，目前成本比較高。
 
　　■ 電池性能決定使用場(chǎng)景
 
　　正是磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的不同特性，各自被廣泛應(yīng)用于不同使用場(chǎng)景的電動(dòng)車(chē)中。
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　　▲ 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池特性雷達(dá)圖
 
　　日常乘用電動(dòng)車(chē)：動(dòng)力需求高，電池布局緊湊，冬季性能需求高，使用壽命短(6-8年換車(chē)周期)。
 
　　大型公交車(chē)，社會(huì)作業(yè)車(chē)，經(jīng)濟(jì)性車(chē)：動(dòng)力需求低，充分的電池布局空間，使用壽命長(zhǎng)(10年以上使用周期)。
 
　　綜上，沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)秀的電池材料，按照性能尋找適合使用的場(chǎng)景。三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池各有長(zhǎng)短。按照需求來(lái)看，三元鋰電池更適合搭載車(chē)型更小，強(qiáng)調(diào)動(dòng)力的日常乘用車(chē)，但需要加強(qiáng)電池和電控系統(tǒng)的管理，磷酸鐵鋰電池更適合搭載于對(duì)電池布局要求低，使用壽命長(zhǎng)的公共通勤工具和社會(huì)用車(chē)上。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 特斯拉
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